C++ для начинающих

3.3. Указатели

Указатели и динамическое выделение памяти были вкратце представлены в разделе 2.2. Указатель – это объект, содержащий адрес другого объекта и позволяющий косвенно манипулировать этим объектом. Обычно указатели используются для работы с динамически созданными объектами, для построения связанных структур данных, таких, как связанные списки и иерархические деревья, и для передачи в функции больших объектов – массивов и объектов классов – в качестве параметров.
Каждый указатель ассоциируется с некоторым типом данных, причем их внутреннее представление не зависит от внутреннего типа: и размер памяти, занимаемый объектом типа указатель, и диапазон значений у них одинаков . Разница состоит в том, как компилятор воспринимает адресуемый объект. Указатели на разные типы могут иметь одно и то же значение, но область памяти, где размещаются соответствующие типы, может быть различной:

• указатель на int, содержащий значение адреса 1000, направлен на область памяти 1000-1003 (в 32-битной системе);
• указатель на double, содержащий значение адреса 1000, направлен на область памяти 1000-1007 (в 32-битной системе).

Вот несколько примеров:

int              *ip1, *ip2;
complex<double>  *cp;
string           *pstring;
vector<int>      *pvec;
double           *dp;

Указатель обозначается звездочкой перед именем. В определении переменных списком звездочка должна стоять перед каждым указателем (см. выше: ip1 и ip2). В примере ниже lp – указатель на объект типа long, а lp2 – объект типа long:

long *lp, lp2;

В следующем случае fp интерпретируется как объект типа float, а fp2 – указатель на него:

float fp, *fp2;

Оператор разыменования (*) может отделяться пробелами от имени и даже непосредственно примыкать к ключевому слову типа. Поэтому приведенные определения синтаксически правильны и совершенно эквивалентны:

string *ps;
string* ps;

Однако рекомендуется использовать первый вариант написания: второй способен ввести в заблуждение, если добавить к нему определение еще одной переменной через запятую:

//внимание: ps2 не указатель на строку!
string* ps, ps2;

Можно предположить, что и ps, и ps2 являются указателями, хотя указатель – только первый из них.
Если значение указателя равно 0, значит, он не содержит никакого адреса объекта.
Пусть задана переменная типа int:

int ival = 1024;

Ниже приводятся примеры определения и использования указателей на int pi и pi2:

//pi инициализирован нулевым адресом
int *pi = 0;

// pi2 инициализирован адресом ival
int *pi2 = &ival;

// правильно: pi и pi2 содержат адрес ival
pi = pi2;

// pi2 содержит нулевой адрес
pi2 = 0;

Указателю не может быть присвоена величина, не являющаяся адресом:

// ошибка: pi не может принимать значение int
pi = ival

Точно так же нельзя присвоить указателю одного типа значение, являющееся адресом объекта другого типа. Если определены следующие переменные:

double dval;
double *ps = &dval;

то оба выражения присваивания, приведенные ниже, вызовут ошибку компиляции:

// ошибки компиляции
// недопустимое присваивание типов данных: int* <== double*
pi = pd
pi = &dval;

Дело не в том, что переменная pi не может содержать адреса объекта dval – адреса объектов разных типов имеют одну и ту же длину. Такие операции смешения адресов запрещены сознательно, потому что интерпретация объектов компилятором зависит от типа указателя на них.
Конечно, бывают случаи, когда нас интересует само значение адреса, а не объект, на который он указывает (допустим, мы хотим сравнить этот адрес с каким-то другим). Для разрешения таких ситуаций введен специальный указатель void, который может указывать на любой тип данных, и следующие выражения будут правильны:

// правильно: void* может содержать
// адреса любого типа
void *pv = pi;
pv = pd;

Тип объекта, на который указывает void*, неизвестен, и мы не можем манипулировать этим объектом. Все, что мы можем сделать с таким указателем, – присвоить его значение другому указателю или сравнить с какой-либо адресной величиной. (Более подробно мы расскажем об указателе типа void в разделе 4.14.)
Для того чтобы обратиться к объекту, имея его адрес, нужно применить операцию разыменования, или косвенную адресацию, обозначаемую звездочкой (*). Имея следующие определения переменных:

int ival = 1024;, ival2 = 2048;
int *pi = &ival;

мы можем читать и сохранять значение ival, применяя операцию разыменования к указателю pi:

// косвенное присваивание переменной ival значения ival2
*pi = ival2;

// косвенное использование переменной ival как rvalue и lvalue
*pi = abs(*pi); // ival = abs(ival);
*pi = *pi + 1; // ival = ival + 1;

Когда мы применяем операцию взятия адреса (&) к объекту типа int, то получаем результат типа int*
int *pi = &ival;
Если ту же операцию применить к объекту типа int* (указатель на int), мы получим указатель на указатель на int, т.е. int**. int** – это адрес объекта, который содержит адрес объекта типа int. Разыменовывая ppi, мы получаем объект типа int*, содержащий адрес ival. Чтобы получить сам объект ival, операцию разыменования к ppi необходимо применить дважды.

int **ppi = π
int *pi2 = *ppi;

cout << "Значение ival\n"
     << "явное значение: " << ival << "\n"
     << "косвенная адресация: " << *pi << "\n"
     << "дважды косвенная адресация: " << **ppi << "\n"

     << endl;

Указатели могут быть использованы в арифметических выражениях. Обратите внимание на следующий пример, где два выражения производят совершенно различные действия:

int i, j, k;
int *pi = &i;
// i = i + 2
*pi = *pi + 2;
// увеличение адреса, содержащегося в pi, на 2
pi = pi + 2;

К указателю можно прибавлять целое значение, можно также вычитать из него. Прибавление к указателю 1 увеличивает содержащееся в нем значение на размер области памяти, отводимой объекту соответствующего типа. Если тип char занимает 1 байт, int – 4 и double – 8, то прибавление 2 к указателям на char, int и double увеличит их значение соответственно на 2, 8 и 16. Как это можно интерпретировать? Если объекты одного типа расположены в памяти друг за другом, то увеличение указателя на 1 приведет к тому, что он будет указывать на следующий объект. Поэтому арифметические действия с указателями чаще всего применяются при обработке массивов; в любых других случаях они вряд ли оправданы.
Вот как выглядит типичный пример использования адресной арифметики при переборе элементов массива с помощью итератора:

int ia[10];
int *iter = &ia[0];
int *iter_end = &ia[10];

while (iter != iter_end) {
  do_something_with_value (*iter);
  ++iter;
}

Упражнение 3.8

Даны определения переменных:

int ival = 1024, ival2 = 2048;
int *pi1 = &ival, *pi2 = &ival2, **pi3 = 0;

Что происходит при выполнении нижеследующих операций присваивания? Допущены ли в данных примерах ошибки?

(a) ival = *pi3; (e) pi1 = *pi3;
(b) *pi2 = *pi3; (f) ival = *pi1;
(c) ival = pi2; (g) pi1 = ival;
(d) pi2 = *pi1; (h) pi3 = &pi2;

Упражнение 3.9

Работа с указателями – один из важнейших аспектов С и С++, однако в ней легко допустить ошибку. Например, код

pi = &ival;
pi = pi + 1024;

почти наверняка приведет к тому, что pi будет указывать на случайную область памяти. Что делает этот оператор присваивания и в каком случае он не приведет к ошибке?

Упражнение 3.10

Данная программа содержит ошибку, связанную с неправильным использованием указателей:

int foobar(int *pi) {
   *pi = 1024;
   return *pi;
}

int main() {
   int *pi2 = 0;
  int ival = foobar(pi2);
  return 0;
}

В чем состоит ошибка? Как можно ее исправить?

Упражнение 3.11

Ошибки из предыдущих двух упражнений проявляются и приводят к фатальным последствиям из-за отсутствия в С++ проверки правильности значений указателей во время работы программы. Как вы думаете, почему такая проверка не была реализована? Можете ли вы предложить некоторые общие рекомендации для того, чтобы работа с указателями была более безопасной?

Содержание