Указатели и аргументы функций

 

Так как в «С» передача аргументов функциям осуществляется «по значению», вызванная процедура не имеет непосредственной возможности изменить переменную из вызывающей программы. Что же делать, если вам действительно надо изменить аргумент?

Пример 6-1. Например, программа сортировки захотела бы поменять два нарушающих порядок элемента с помощью функции с именем swap. Для этого недостаточно написать:

swap(a,b),

определив функцию swap при этом следующим образом:

 

void swap(int x, int y) // Неверно !

{

int temp;

temp = x;

x = y;

y = temp;

}

 

Из-за вызова по значению swap не может воздействовать на агументы a и b в вызывающей функции. К счастью, все же имеется возможность получить желаемый эффект. Вызывающая программа передает указатели подлежащих изменению значений:

swap(&a, &b);

 

так как операция & выдает адрес переменной, то &A является указателем на a. В самой swap аргументы описываются как указатели и доступ к фактическим операндам осуществляется через них.

void swap(int *px, int *py) //Перестановка *px и *py

{

int temp;

temp = *px;

*px = *py;

*py = temp;

}

Указатели в качестве аргументов обычно используются в функциях, которые должны возвращать более одного значения (можно при этом сказать, что swap возвращает два значения, новые значения ее аргументов).

Пример 6-2. В качестве примера рассмотрим функцию getint, которая осуществляет преобразование поступающих в свободном формате данных, разделяя поток символов на целые значения, по одному целому за одно обращение. Функция getint должна возвращать либо найденное значение, либо признак конца файла, если входные данные полностью исчерпаны. Эти значения должны возвращаться как отдельные объекты, какое бы значение ни использовалось для EOF, даже если это значение вводимого целого.

Одно из решений, основывающееся на описываемой в главе 9 функции ввода scanf, состоит в том, чтобы при выходе на конец файла getint возвращала eof в качестве значения функции; любое другое возвращенное значение говорит о нахождении нормального целого. Численное же значение найденного целого возвращается через аргумент, который должен быть указателем целого. Эта организация разделяет статус конца файла и численные значения.

Следующий цикл заполняет массив целыми с помощью обращений к функции getint:

 int n, v, array[size];

 for (n = 0; n < size && getint(&v) != eof; n++)

 array[n] = v;

 

    В результате каждого обращения v становится равным следующему целому значению, найденному во входных данных. Обратите внимание, что в качестве аргумента getint необходимо указать &v а не v. Использование просто v скорее всего приведет к ошибке адресации, поскольку getint полагает, что она работает именно с указателем.

Сама getint является очевидной модификацией написанной нами ранее функции atoi:

getint(int *pn) /* get next integer from input */

{

int c,sign;

while ((c = getch()) == ' ' || c == '\n' ||

      c == '\t')

;         /* skip white space */

sign = 1;

if (c == '+' || c == '-')

{ /* record

sign */

sign = (c == '+') ? 1 : -1;

c = getch();

}

for (*pn = 0; c >= '0' && c <= '9'; c = getch())

*pn = 10 * *pn + c - '0';

*pn *= sign;

if (c != eof)

ungetch(c);

return(c);

}

 

Выражение *pn используется всюду в getint как обычная переменная типа int. Мы также использовали функции getch и ungetch (описанные в главе 5) , так что один лишний символ, который приходится считывать, может быть помещен обратно во ввод.

Упражнение 6-1. Напишите функцию getfloat, аналог getint для чисел с плавающей точкой. Какой тип должна возвращать getfloat в качестве значения функции?

 

Указатели и массивы

 

В языке «C» существует сильная взаимосвязь между указателями и массивами, настолько сильная, что указатели и массивы действительно следует рассматривать одновременно. Любую операцию, которую можно выполнить с помощью индексов массива, можно сделать и с помощью указателей. вариант с указателями обычно оказывается более быстрым, но и несколько более трудным для непосредственного понимания, по крайней мере для начинающего. Описание:

int a[10]

определяет  массив размера 10, т.е. Набор из 10 последовательных объектов, называемых a[0], a[1], ..., a[9]. Запись a[i]  соответствует элементу массива через I позиций от начала. Если pa – указатель целого, описанный как:

int *pa ,

то присваивание:

pa = &a[0]

приводит к тому, что pa указывает на нулевой элемент массива a; это означает, что pa  содержит адрес элемента a [0]. Теперь присваивание:

x = *pa

будет копировать содержимое a[0] в x.

 

Если pa указывает на некоторый определенный элемент массива a, то по определению pa+1 указывает на следующий элемент, и вообще pa-i указывает на элемент, стоящий на i позиций до элемента, указываемого pa, а pa+i на элемент, стоящий на i позиций после. Таким образом, если pa  указывает на a[0], то:

*(pa+1)

ссылается на содержимое a[1], pa+i – на адрес a[i], а *(pa+i) – на содержимое a[i].

 

Эти замечания справедливы независимо от типа переменных в массиве a. Суть определения «добавления 1 к указателю», а также его распространения на всю арифметику указателей, состоит в том, что приращение масштабируется размером памяти, занимаемой объектом, на который указывает указатель. Таким образом, i  в pa+i перед прибавлением умножается на размер объектов, на которые указывает pa.

Очевидно существует очень тесное соответствие между индексацией и арифметикой указателей. в действительности компилятор преобразует ссылку на массив в указатель на начало массива. В результате этого имя массива является указательным выражением. Отсюда вытекает несколько весьма полезных следствий. Так как имя массива является синонимом местоположения его нулевого элемента, то присваивание pa=&a[0] можно записать как:

pa = a .

 

Еще более удивительным, по крайней мере на первый взгляд, кажется тот факт, что ссылку на a[i] можно записать в виде *(a+i). При анализировании выражения a[i] в языке «C» оно немедленно преобразуется к виду *(a+i); эти две формы совершенно эквивалентны. Если применить операцию & к обеим частям такого соотношения эквивалентности, то мы получим, что &a[i] и a+i тоже идентичны: a+i – адрес i-го элемента от начала a. С другой стороны, если pa является указателем, то в выражениях его можно использовать с индексом: pa[i] идентично *(pa+i). Короче, любое выражение, включающее массивы и индексы, может быть записано через указатели и смещения и наоборот, причем даже в одном и том же утверждении.

Имеется одно различие между именем массива и указателем, которое необходимо иметь в виду. указатель является переменной, так что операции pa=a  и pa++ имеют смысл. Но имя массива является константой, а не переменной: конструкции типа a=pa или a++, или p=&a будут незаконными.

Пример 6-3. Когда имя массива передается функции, то на самом деле ей передается местоположение начала этого массива. Внутри вызванной функции такой аргумент является точно такой же переменной, как и любая другая, так что имя массива в качестве аргумента действительно является указателем, т.е. переменной, содержащей адрес. Мы можем использовать это обстоятельство для написания нового варианта функции strlen, вычисляющей длину строки.

 

strlen(char *s)  // Получить длину строки s

{

int n;

for (n = 0; *s != '\0'; s++)

n++;

return(n);

}

 

Операция увеличения s совершенно законна, поскольку эта переменная является указателем; s++ никак не влияет на символьную строку в обратившейся к strlen функции, а только увеличивает локальную для функции strlen копию адреса. Описания формальных параметров в определении функции в виде:

char s[];

char *s;

 

совершенно эквивалентны; какой вид описания следует предпочесть, определяется в значительной степени тем, какие выражения будут использованы при написании функции. Если функции передается имя массива, то в зависимости от того, что удобнее, можно полагать, что функция оперирует либо с массивом, либо с указателем, и действовать далее соответвующим образом. Можно даже использовать оба вида операций, если это кажется уместным и ясным.

 

Можно передать функции часть массива, если задать в качестве аргумента указатель начала подмассива. Например, если a – массив, то как:

f(&a[2])

как и

f(a+2)

 

передают функции f адрес элемента a[2], потому что и &a[2], и a+2 являются указательными выражениями, ссылающимися на третий элемент a. Описания аргументов в функции f могут присутствовать в виде:

f(int arr[])

{

...

}

 

или

 

f(int *arr)

{

...

}

 

Что касается функции f, то тот факт, что ее аргумент в действительности ссылается к части большего массива, не имеет для нее никаких последствий.

 

Адресная арифметика

 

Если p является указателем, то каков бы ни был тип объекта, на который он указывает, операция p++ увеличивает p так, что он указывает на следующий элемент набора этих объектов, а операция p+=i увеличивает p так, чтобы он указывал на элемент, отстоящий на i элементов от текущего элемента.эти и аналогичные конструкции представляют собой самые простые и самые распространенные формы арифметики указателей или адресной арифметики.

Пример 6-4. Язык «C» последователен и постоянен в своем подходе к адресной арифметике; объединение в одно целое указателей, массивов и адресной арифметики является одной из наиболее сильных сторон языка. Давайте проиллюстрируем некоторые из соответствующих возможностей языка на примере элементарной (но полезной, несмотря на свою простоту) программы распределения памяти. Имеются две функции: функция alloc(n)  возвращает в качестве своего значения указатель p, который указывает на первую из n последовательных символьных позиций, которые могут быть использованы вызывающей функцию alloc программой для хранения символов; функция free(p) освобождает приобретенную таким образом память, так что ее в дальнейшем можно снова использовать. программа является «элементарной», потому что обращения к free должны производиться в порядке, обратном тому, в котором производились обращения к alloc.

Таким образом, управляемая функциями alloc и free память является стеком или списком, в котором последний вводимый элемент извлекается первым. Стандартная библиотека языка «C» содержит аналогичные функции, не имеющие таких ограничений, и, кроме того, в главе 9 мы приведем улучшенные варианты. Между тем, однако, для многих приложений нужна только тривиальная функция alloc для распределения небольших участков памяти неизвестных заранее размеров в непредсказуемые моменты времени.

Простейшая реализация состоит в том, чтобы функция раздавала отрезки большого символьного массива, которому мы присвоили имя allocbuf. Этот массив является собственностью функций alloc и free. Так как они работают с указателями, а не с индексами массива, никакой другой функции не нужно знать имя этого массива. Он может быть описан как внешний статический, т.е. Он будет локальным по отношению к исходному файлу, содержащему alloc и free, и невидимым за его пределами. При практической реализации этот массив может даже не иметь имени; вместо этого он может быть получен в результате запроса к операционной системе на указатель некоторого неименованного блока памяти.

Другой необходимой информацией является то, какая часть массива allocbuf уже использована. Мы пользуемся указателем первого свободного элемента, названным allocp. Когда к функции alloc обращаются за выделением n символов, то она проверяет, достаточно ли осталось для этого места в allocbuf. Если достаточно, то alloc возвращает текущее значение allocp (т.е. начало свободного блока), затем увеличивает его на n, с тем чтобы он указывал на следующую свободную область. Функция free(p) просто полагает allocp равным p при условии, что p указывает на позицию внутри allocbuf.

Функция alloc:

 

#define null 0    //Указатель в случае ошибки

define allocsize 1000 //Доступный размер пространства

static char allocbuf[allocsize]; //Память для alloc

static char *allocp = allocbuf; //След. своб. позиция

 

сhar *alloc(int n) // Получить указатель на n символов

{

if (allocp + n <= allocbuf + allocsize)

{

allocp += n;

return(allocp - n); /* old p */

}

else    // Нет достаточного участка памяти

return(null);

}

Функция free:

 

free(сhar *p) // Освободить память, указываемую в p

{

if (p >= allocbuf && p < allocbuf + allocsize)

allocp = p;

}

 

Дадим некоторые пояснения. Вообще говоря, указатель может быть инициализирован точно так же, как и любая другая переменная, хотя обычно единственными осмысленными значениями являются null (это обсуждается ниже) или выражение, включающее адреса ранее определенных данных соответствующего типа. Описание:

static char *allocp = allocbuf;

 

определяет allocp как указатель на символы и инициализирует его так, чтобы он указывал на allocbuf, т.е. На первую свободную позицию при начале работы программы. Так как имя массива является адресом его нулевого элемента, то это можно было бы записать в виде:

static char *allocp = &allocbuf[0];

 

используйте ту запись, которая вам кажется более естественной. С помощью проверки:

if (allocp + n <= allocbuf + allocsize)

 

выясняется, осталось ли достаточно места, чтобы удовлетворить запрос на n символов. Если достаточно, то новое значение allocp не будет указывать дальше, чем на последнюю позицию allocbuf. Если запрос может быть удовлетворен, то allocp возвращает обычный указатель (обратите внимание на описание самой функции). Если же нет, то allocp должна вернуть некоторый признак, говорящий о том, что больше места не осталось.

 

В языке «C» гарантируется, что ни один правильный указатель данных не может иметь значение нуль, так что возвращение нуля может служить в качестве сигнала о ненормальном событии, в данном случае об отсутствии места. Мы, однако, вместо нуля пишем null, с тем чтобы более ясно показать, что это специальное значение указателя. Вообще говоря, целые не могут осмысленно присваиваться указателям, а нуль – это особый случай.

Проверки вида:

if (allocp + n <= allocbuf + aloocsize)

и

if (p >= allocbuf && p < allocbuf + allocsize)

 

демонстрируют несколько важных аспектов арифметики указателей.

 

Во-первых, при определенных условиях указатели можно сравнивать. Если p и q указывают на элементы одного и того же массива, то такие отношения, как <, >= и т.д., работают надлежащим образом. Например, выражение:

p < q

истинно, если p указывает на более ранний элемент массива, чем q. Отношения == и != тоже работают. Любой указатель можно осмысленным образом сравнить на равенство или неравенство с null. Но ни за что нельзя ручаться, если вы используете сравнения при работе с указателями, указывающими на разные массивы. Если вам повезет, то на всех машинах вы получите очевидную бессмыслицу. Если же нет, то ваша программа будет правильно работать на одной машине и давать непостижимые результаты на другой.

 

Во-вторых, как мы уже видели, указатель и целое можно складывать и вычитать. Конструкция

p + n

подразумевает n-ый объект за тем, на который p указывает в настоящий момент. Это справедливо независимо от того, на какой вид объектов p должен указывать; компилятор сам масштабирует n в соответствии с определяемым из описания P размером объектов, указываемых с помощью p. Например, на PDP-11 масштабирующий множитель равен 1 для char, 2 для int и short, 4 для long и float  и 8 для double.

Пример 6-5. Вычитание указателей тоже возможно: если p и q указывают на элементы одного и того же массива, то p-q – это количество элементов между p и q. Этот факт можно использовать для написания еще одного варианта функции strlen:

 

strlen(char *s)  // Получить длину строки s

{

char *p = s;

while (*p != '\0')

p++;

return(p-s);

}

 

При описании указатель p в этой функции инициализирован посредством строки s, в результате чего он указывает на первый символ строки. В цикле while по очереди проверяется каждый символ до тех пор, пока не появится символ конца строки \0. Так как значение \0 равно нулю, а while только выясняет, имеет ли выражение в нем значение 0, то в данном случае явную проверку можно опустить. Такие циклы часто записывают в виде:

while (*p)

p++;

 

Так как p указывает на символы, то оператор p++ передвигает p каждый раз так, чтобы он указывал на следующий символ. В результате p-s дает число просмотренных символов, т.е. длину строки. 

Арифметика указателей последовательна: если бы мы имели дело с переменными типа float, которые занимают больше памяти, чем переменные типа char, и если бы p был указателем на float, то оператор p++ передвинул бы p на следующее float. Таким образом, мы могли бы написать другой вариант функции alloc, распределяющей память для float, вместо char, просто заменив всюду в alloc и free описатель char на float. Все действия с указателями автоматически учитывают размер объектов, на которые они указывают, так что больше ничего менять не надо.

За исключением упомянутых выше операций (сложение и вычитание указателя и целого, вычитание и сравнение двух указателей), вся остальная арифметика указателей является незаконной. Запрещено складывать два указателя, умножать, делить, сдвигать или маскировать их, а также прибавлять к ним переменные типа float или double.