Адреса и указатели

Между объектами реального мира, которые моделируются на компьютерах, существуют разнообразные, постоянно меняющиеся связи. Эти связи, как и сами объекты, могут появляться и исчезать. Поэтому если мы хотим описать в программе группу с переменным числом объектов, связи между которыми тоже подвержены изменениям, нужны соответствующие структуры. Эти структуры должны позволять устанавливать, изменять и разрывать связи между моделируемыми объектами, а также порождать или уничтожать сами объекты.

Для этой цели в Си используются указатели и динамические структуры.

До сих пор мы рассматривали только статические структуры. Этим термином обозначаются структуры данных (массивы, файлы, структуры), которые возникают непосредственно перед выполнением программы в соответствии со своим описанием, существуют в течение всего времени ее выполнения, и размер которых задается заранее с помощью описания их типов и не изменяется в ходе выполнения программы.

Однако при решении многих задач мы заранее, то есть на этапе написания программы, не знаем не только размера того или иного программного объекта (структуры данных), но и даже того, будет ли вообще нужен этот объект. Такого рода программные объекты или структуры данных, возникающие уже в процессе выполнения программы по мере необходимости, размер которых определяется или изменяется при ее выполнении, называются динамическими объектами или структурами.

Язык Си отличается от других языков программирования, прежде всего широким использованием указателей. Именно наличие в нем указателей сделало его очень удобным для системного программирования.

Под указателем (ссылкой) понимается переменная, содержащая адрес (номер) ячейки памяти, в которой хранится значение любого программного объекта – переменной, элемента массива, функции, структуры.

Оперативная память компьютера – это последовательность байтов, каждый из которых имеет номер (адрес). Адреса байтов памяти идут по возрастанию: если к – это номер текущего байта, то к-1 – номер предыдущего, а к+1 – последующего байтов. Указатель как раз и содержит адрес некоторого байта памяти. Меняя значение указателя, можно перемещаться по памяти, адресуясь к различным данным, записанным в просматриваемых ячейках.

Таким образом, в Си под указателем понимается переменная, содержащая адрес любого объекта программы. Значит, указатель говорит о том, где в памяти размещен тот или иной программный объект (переменная, массив, структура, функция), но ничего не говорит об имени и значении этого объекта. По аналогии – можно знать почтовый адрес человека, но этот адрес не дает нам информацию о количестве комнат в его квартире и ее обстановке.

Применение указателей полезно:

- при работе с массивами – обеспечивается использование сразу всех элементов массива,

- при обращении к функциям – можно одновременно возвратить сразу несколько значений, вычисляемых функцией,

- при работе с файлами – обеспечивается быстрый доступ к компонентам файла,

- при создании новых переменных в процессе выполнения программы – можно динамически выделять память для них.

Для работы с указателями в Си используются две операции:

* - доступ по адресу (обращение по адресу),

& - получение адреса.

Знак * , стоящий перед именем переменной-указателя, означает «взять (записать) значение по данному адресу»: *ptr – записать значение по адресу ptr.

Знак & , стоящий перед именем обычной переменной, означает «получить адрес переменной»: &x – получить адрес переменной x.

Перед использованием в программе указатели, как и любые другие переменные, должны быть описаны – задан тип объекта, адрес которого будет хранить указатель, поставлена звездочка * и задано имя указателя:

int i, j, *ptr;

float x, y, *ukaz;

char c, d, *adr;

Описаны указатели:

рtr – на любой объект (переменную, массив, функцию) целого типа,

ukaz – на любой объект вещественного типа,

adr – на любой объект символьного типа.

После описания указателей им можно присвоить значения адресов переменных этого же типа, используя операцию получения адреса &:

ptr = &i;

ukaz = &x;

adr = &c;

Сейчас указатели ptr, ukaz, adr будут хранить адреса (номера) первых (младших) байтов памяти, отведенной для переменных i, x, c (адрес байта памяти – это шестнадцатеричное число).

Присвоим этим переменным некоторые значения:

i = 5;

x = 3.1416;

c = ‘@’;

Обратимся к ним по адресу:

j = *ptr;

y = *ukaz;

d = *adr;

Содержимое ячейки памяти с адресом ptr (а там записано число 5 – ведь это адрес переменной i) будет присвоено переменной j, содержимое ячейки памяти с адресом ukaz – переменной y, содержимое ячейки памяти с адресом adr – переменной d.

Таким образом, два оператора присваивания:

ptr = &i;

j = *ptr;

выполняют то же самое, что и один оператор:

j = i;

Значит, можно организовать не только прямую передачу данных от одной переменной к другой (j = i), но и косвенную – через адреса переменных, даже не упоминая их имен. Указатели позволяют обращаться к конкретным ячейкам памяти и изменять их содержимое, не интересуясь тем, значения каких именно переменных хранятся в этих ячейках:

*adr = ‘+’;

переменой по адресу adr присвоено значение символа ‘+’,

(*ptr)++;

значение переменной по адресу ptr увеличивается на единицу,

(*ptr) += 3;

значение переменной по адресу ptr увеличивается на 3,

j = (*ptr)++;

значение переменной по адресу ptr присваивается переменной j и после этого увеличивается на единицу.

Если это выражение записать без скобок:

j = *ptr++;

то сначала значение адреса ptr увеличивается на единицу (получаем адрес следующей ячейки памяти), а затем содержимое новой ячейки памяти присваивается переменной j : операции доступа по адресу * и инкремента ++ имеют одинаковый приоритет, но выполняются справа налево.