книги / Программирование на языке Си

4.2. У казатели и м ассивы

Указатели и доступ к элементам массивов. По определе­ нию, указатель - это либо объект со значением "адрес объекта" или "адрес функции", либо выражение, позволяющее получить адрес объекта или функции. Рассмотрим фрагмент:

int х,у;

int *р =&х;

р=&у;

Здесь р - указатель-объект, а &х, &у - указатели-выражения, т.е. адреса-кОнстанты. Мы уже знаем, что р - переменная того же типа, что и значения &х, &у. Различие между адресом (т.е. указателем-выражением) и указателем-объектом заключается в возможности изменять значения указателей-объектов. Именно поэтому указатели-выражения называют указателямиконстантами или адресами, а для указателя объекта используют название указатель-переменная или просто указатель.

В соответствии с синтаксисом языка Си имя массива без ин­ дексов является указателем-константой, т.е. адресом его первого элемента (с нулевым индексом). Это нужно учитывать и пом­ нить при работе с массивами и указателями.

Рассмотрим задачу "инвертирования" массива символов и различные способы ее решения с применением указателей (заметим, что задача может быть легко решена и без указателей - с использованием индексации). Предположим, что длина мас­ сива типа char равна 80.

Первое решение задачи инвертирования массива:

char z[80],s; char *d,*h;

/* d и h - указатели на символьные объекты */ for (d=z, h=&z[79]; d<h; d++,h— )

{

s=*d;

*d=*h;

*h=S ;

)

В заголовке цикла указателю d присваивается адрес первого (с нулевым индексом) элемента массива z. Здесь можно было бы применить и другую операцию, а именно: d=&z[0]. Указа­ тель h получает значение адреса последнего элемента массива z. Далее работа с указателями в заголовке ведется, как с обычны­ ми целочисленными переменными. Цикл выполняется до тех пор, пока d<h. После каждой итерации значение d увеличивает­ ся, значение h уменьшается на 1. При первой итерации в теле цикла выполняется обмен значений z[0] и z[79], так как d - ад­ рес z[0], h - адрес z[79]. При второй итерации значением d явля­ ется адрес z[l], для h - адрес z[78] и т.д.

Второе решение задачи инвертирования массива:

char z[80] ,s, *d, *h; for (d=z, h=&z[79]; d<h;)

{

s=*d; *d++=*h; *h— = s;

)

Приращение указателя d и уменьшение указателя h перене­ сены в тело цикла. Напоминаем, что в выражениях *d++ и *h— операции увеличения и уменьшения на 1 имеют тот же приори­ тет, что и унарная адресная операция Поэтому изменяются на 1 не значения элементов массива, на которые указывают d и h, а сами указатели. Последовательность действий такая: по значению указателя d (или h) обеспечивается доступ к элементу массива; в этот элемент заносится значение из правой части оператора присваивания; затем увеличивается (уменьшается) на 1 значение указателя d (или h).

Третье решение задачи инвертирования массива (исполь­ зуется цикл с предусловием):

char z[80]# s, *d, *h; d=z ;

h=&z[79]; while (d < h)

{

)

Четвертое решение задачи инвертирования массива (имитация индексированных переменных указателями со сме­ щениями):

{

s = * (z+i) ;

* (z+i) = * (z+(79—i)); * (z+(79-i)) = s;

)

Последний пример демонстрирует возможность использова­ ния вместо индексированного элемента z[i] выражения *(z+i). В языке Си, как мы упоминали, имя массива без индексов есть адрес его первого элемента (с нулевым значением индекса). Прибавив к имени массива целую величину, получаем адрес со­ ответствующего элемента, таким образом, &z[i] и z+i - это две формы определения адреса одного и того же элемента массива, отстоящего на i позиций от его начала.

Итак, в соответствии с синтаксисом языка операция индек­ сирования Е1[Е2] определена таким образом, что она эквива­ лентна *(Е1+Е2), где Е1 - имя массива, Е2 - целое. Для многомерного массива правила остаются теми же. Таким об­ разом, E[n][m][k] эквивалентно *(E[n][m]+k) и, далее *(*(*(E+n)+m)+k).

Отметим, что имя массива не является переменной типа ука­ затель, а есть константа - адрес начала массива. Таким обра­ зом, к имени массива не применимы операции '++' (увеличения), '—' (уменьшения), имени массива нельзя присвоить значение, т.е. имя массива не может использоваться в левой части опера­ тора присваивания.

В рассмотренных примерах указатели относились к символь­ ным переменным, и поэтому их приращения были единичными. Однако это обеспечивалось только особенностями представле­ ния в памяти символов - каждый символ занимает в памяти один байт, и поэтому адреса смежных элементов символьного массива отличаются на 1. В случае массивов с другими элемен-

1 2 -3 1 2 4

ходе к соседнему элементу символьного массива. Для целочис­ ленного массива переход к соседнему элементу изменяет указа­ тель urn на 2. Для массива вещественных элементов с плавающей точкой переход к соседнему элементу изменяет ука­ затель иа на 4.

Массивы динамической памяти. В соответствии со стан­ дартом языка массив представляет собой совокупность элемен­ тов, каждый из которых имеет одни и те же атрибуты (характеристики). Все элементы размещаются в смежных участ­ ках памяти подряд, начиная с адреса, соответствующего началу массива, т.е. значению & имямассива [0].

При традиционном определении массива:

тип имя_массива [количество_элементов];

имя_массива становится указателем на область памяти, выде­ ляемой для размещения элементов массива. Количест­ во^элементов в соответствии с синтаксисом языка должно быть константным выражением. Тип явно определяет размеры памя­ ти, выделяемой для каждого элемента массива.

Таким образом, общее количество элементов массива и раз­ меры памяти, выделяемой для него, полностью и однозначно заданы определением. Это не всегда удобно. Иногда нужно, чтобы память для массива выделялась в таких размерах, какие нужны для решения конкретной задачи, причем потребности в памяти заранее не известны и не могут быть фиксированы.

Формирование массивов с переменными размерами можно организовать с помощью указателей и средств для динамиче­ ского выделения памяти. Начнем рассмотрение указанных средств с библиотечных функций, описанных в заголовочных файлах alloc.h и stdlib.h стандартной библиотеки (файл alloc.h не является стандартным). В табл. 4.1 приведены сведения об этих библиотечных функциях. Функции malloc(), са11ос() и realloc() динамически выделяют память в соответствии со зна­ чениями параметров и возвращают адрес начала выделенного участка памяти. Для универсальности тип возвращаемого зна­ чения каждой из этих функций есть void*. Этот указатель

12*

(указатель такого типа) можно преобразовать к указателю лю­ бого типа с помощью операции явного приведения типа (тип *).

Функция free( ) решает обратную задачу - освобождает па­ мять, выделенную перед этим с помощью одной из трех функ­ ций calloc(), malloc( ) или realloc( ). Сведения об этом участке памяти передаются в функцию free() с помощью указателя - параметра типа void *. Преобразование указателя любого типа к типу void * выполняется автоматически, поэтому вместо фор­ мального параметра void *Ы можно подставить в качестве фак­ тического параметра указатель любого типа без операции явного приведения типов.

Следующая программа иллюстрирует на несложной задаче особенности применения функций выделения (malloc) и осво­ бождения (free) динамической памяти. Решается следующая

задача: ввести и напечатать в обратном порядке набор вещест­ венных чисел, количество которых заранее не фиксировано, а вводится до начала ввода самих числовых значений. Текст про­ граммы может быть таким: .

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> void main ( )

{

/* Указатель для выделяемого блока памяти */ float *t;

int i,n;

printf("\nn="); /* n — число элементов */ scanf("%d",&n);

t=(float *)malloc(n*sizeof(float)); for(i=0; i<n; i++) /* Цикл ввода чисел */

{p r i n t f ( ”x [ % d ] = " , i ) ; s c a n f ( " % f " , & t [ i ] ) ;

}

/* Цикл печати результатов */ for(i=n-l; i>=0; i— )

{

if (i%2==0) printf("\n"); printf("\tx[%d]=%f",i,t[i]);

}

free (t); /* Освобождение памяти */

}

Результат выполнения программы (компилятор ВС++3.1 и компилятор из операционной системы Free BSD UNIX):

n=4

x [0]=10

x [1]=20 x[2]=30

x [3]=40

x[3]=40.000000 x[2]=30.000000 x[l]=20.000000 x[0]=10.000000

В программе int n - количество вводимых чисел типа float, t - указатель на начало области, выделяемой для размещения п вводимых чисел. Указатель t принимает значение адреса облас-