Jazyk C - smerník (pointer)

Smerníky sú najdôležitejšou časťou jazyka C, ale aj najužitočnejšou a najzradnejšou. Pri správnom použití vedia veľmi uľahčiť život programátora, ale pri nesprávnom, nastane strach a hrôza. Preto poďme pekne poporiadku.

Definícia smerníka

Smerník

(anglicky pointer, česky ukazovatel) je obyčajná premenná, ktorá obsahuje adresu inej premennej.

S použitím smerníkov sa stretávame pri spracovaní

• premenných,
• polí,
• reťazcov,
• parametrov funkcií,
• dynamických objektov,
• funkcií (smerník na funkciu).

Definícia v jazyku C

• Smerník ako dátový typ neexistuje
• So smerníkom sa vždy spája nejaká premenná
  • smerník na int, smerník na double, smerník na char, atď. ...
• Definujme ui ako ukazovateľ na typ int
  • int *ui;
• Definujme uf ako ukazovateľ na typ float
  • float *uf;

Súvislosť operátora referencia (&) a dereferencia (*)

definujme nasledujúce:

int *ui;
int i;

Tieto 2 premenné nemajú nič spoločné. ui je smerník na int, i je premenná typu int.

*ui

hodnota, na adrese ui (ui je ukazovatel na int)

&i

adresa premennej i (i je premenná typu int)

ui

adresa v pamäti, kde je uložená hodnota smerníka

Príklad 1

Bez použitia premennej x priamo pri výpočte zvýšte jej hodnotu o 10.

 1 #include<stdio.h>
 2 int main(void)
 3 {
 4     int x = 0 ; //do x sme vložili hodnotu 0
 5     int* smernik; // !!!smerník na int alebo smerník typu int
 6 
 7     smernik = &x; // do smerníka sme uložili adresu x
 8 
 9     printf("npred pricitanim:x = %d",x);
10     *smernik = *smernik + 10;
11             // na adresu ,kde je x ,sme pričítali 10
12             // * dereferenčný operátor
13             // & referenčný operátor
14 
15     printf("npo pricitani: x = %d",x);
16     getchar();
17 }

Analýza programu

Prvé dva riadky by mali byť jasné. Máme premennú typu int, preto potrebujeme vytvoriť smerník typu int.

Pozrime sa bližšie na riadok č. 5 :

smernik = &x;

Znaku & sa hovorí tiež referenčný operátor. Vďaka nemu získame adresu premennej x. Keby sme napísali smerník = x, tak by sme nezískali veľa. Do smerníka by sme si uložili namiesto adresy hodnotu premennej. V našom prípade by to bola 0. Takže smerník by nám ukazoval na adresu 0 a nie na adresu, kde je uložená hodnota premennej x.

Riadok č. 10:

*smernik = *smernik + 10

Znaku * sa hovorí tiež dereferenčný operátor. Vďaka tomuto operátoru získame obsah na adrese, na ktorú ukazuje. Využili sme to na ľavej strane výrazu: *smernik = *smernik + 10

Vďaka dereferenčnému operátoru vieme tiež zapísať hodnoty na adresu kam ukazuje. Využili sme to na pravej strane : *smernik = *smernik + 10.

Riadok *smernik = *smernik + 10; robí to isté ako x = x + 10;

Operátor & sa používa pre premenné. Konštanty a výrazy nemajú adresu, preto tento operátor s nimi nemôžme využiť.

Príklad chybných príkazov:

smernik = &10 ; // chyba 10 je konštanta => nemá adresu
smernik = &(x + 10) ; // chyba (x+10) je výraz
smernik = 1 ; // už sme spomínali, smerník by teraz ukazoval niekam na adresu 1

Nulový smerník NULL

• Smerník nemôže mať hodnotu 0 (znamenalo by to, že odkazuje na adresu 0), ale môže mať hodnotu NULL.
• Hodnota NULL je definovaná ako
  • #define NULL 0
  • #define NULL ((void *) 0)
• Ak má smerník hodnotu NULL, tak ukazuje na nič

Z predchádzajúceho vyplýva jedna vec: smerník môžeme definovať aj na typ void

Smerník a pole

Pole je množina prvkov rovnakého typu, ktorá je označená spoločným názvom. Pole je uložené v operačnej pamäti spojite, pričom prvý prvok (index 0) má najnižšiu a posledný prvok najvyššiu adresu. Medzi poľami a smerníkmi existuje úzka súvislosť. Práca s poľom a jeho prvkami formou používania názvu poľa a indexov je jednoduchšia, názornejšia a možno povedať apriori akceptovateľná. Používanie smerníkov vedie k rýchlejšiemu behu programu, umožňuje dynamickú alokáciu pamäte a môže redukovať celkové požiadavky na pamäť.

Meno poľa je v skutočnosti symbolická konštanta, ktorej hodnota je smerník na umiestneni prvého prvku poľa. Teda pre pole data[] identifikátor data znamená to isté ako &data[0], data + i to isté ako &data[i], čo môžeme zapísať v tvare

data + i == &data[i]

Aplikáciou operátora indirekcie * na obe strany výrazu dostaneme

*(data+i) == data[i]

Ak sa i zvyšuje o 1, referencované miesto pamäte sa zvyšuje o počet bytov (dĺžku), daný veľkosťou daného typu.

Jazyk C netestuje hranice polí, čo umožňuje zápis i čítanie mimo rozsahu poľa, pravda, so všetkými z toho vyplývajúcimi dôsledkami. Za kontrolu dodržania rozsahu poľa je preto zodpovedný programátor.

Použitie smerníka a poľa si ilustrujeme časťou programu

 int *p, data[10];
 p=&data[0];

potom *p = data[0] a my môžeme namiesto data[0] v ľubovoľnom výraze používať *p, resp. pre prvok data[i] *(p + i), lebo

 p + i  == &data[i]
 *(p + i) == data[i]

Z uvedeného by sa mohlo zdať, že identifikátory data a p sú ekvivalentné. Je tu však jeden podstatný rozdiel, ktorý spočíva v tom, že data je symbolická smerníková konštanta, zatiaľ čo p je smerníková premenná. Preto operácie ako p++, p = data sú prípustné, zatiaľ čo data++, resp. data = p nie sú povolené. Majme napr.

 float array[100];
 fp = &array[0];

potom fp++ ukazuje na array[1]. Podobne fp = fp + 10 bude ukazovať na array[10]. Predpokladajme, že

  fp1 = &array[100];

Potom fp-- ukazuje na array[99], resp. fp1 = fp1 - 10 alebo fp1 -= 10 bude ukazovať na array[90].

Na smerníky (ak sa vzťahujú na prvky toho istého poľa) je možné aplikovať aj 4 relačné operátory (<, <=, >, >= ) a testovať ich rovnosť, resp. nerovnosť ( ==, != ). Použitie týchto operátorov ilustruje následujúci príklad pre nájdenie najväčšieho prvku v poli data.

Viac o smerníkovej aritmetike nájdete v .

Dynamické prideľovanie pamäti

Pomocou mechanizmu smerníkov si dokážeme alokovať orčitú veľkosť pamäti vo svojom programe.

Alokácia pamäti

Definujme si smerník na int nasleddovne:

int *ui;

Do takto novo vytvorenej premennej (resp. smerníka) nemôžeme priradiť žiadnu hodnotu, pretože pre daný smerník sme nealokovali miesto v pamäti, kde bude ukladať svoj obsah. Nasledujúci zápis je chybný!

*ui=3; // !!!chyba

Pokúšame sa do smerníka uložiť hodnotu 3, ale túto hodnotu nemáme ešte kde uložiť. Potrebujeme si alokovať miesto.

Operátor new

operátor new (namesto fukcie malloc jazyka C používame operátor new jazyka C++ kvôli jednoduchšej syntaxi) alokuje pre smerník potrebné miesto v pamäti. Pri neúspechu vracia hodnotu NULL.

 int *ui;  // definícia smerníka ui na int
 ui=new int;  // pre smerník ui si alokujeme miesto o veľkosti 1 int
 int *uk=new int; // zápis v jednom riadku

Dealokácia pamäti

Pamäť alokovaná operátorom new zostáva rezervovaná až do konca behu programu. Počas behu programu je môžeme uvoľniť použitím operátora delete. Použitie:

delete ui;
delete uk;

Polia a ukazovatele

Pri alokácii pamäti pre ukazovateľ si nemusíme alokovať len pre daný dátový typ, ale môžeme si alokovať ľubovoľne veľkú oblasť pamäti (samozrejme s obmedzením veľkosti dostupnej pamäti). Majme:

int *ui=new int[10];

• ui je ukazovateľ na typ int.
• Alokovali sme si pamäť o veľkosti 10 integerov

Popis:

• *ui predstavuje hodnotu prvého alokovaného integera
• *(ui+1) predstavuje druhého alokovaného integera
• Môžme teda tentu smerníkpoužiť nasledovne
  • cin>>*ui>>*(ui+1);
  • cout<<*ui<<*(ui+1);
• ui môžeme chápať ako pole celých čísel o veľkosti 10
• Ak je teda ui pole celých čísel o veľkosti 10, môžeme k nemu pristupovať ako ku klasickému jednorozmernému poľu:
  • cin>>ui[0]>>ui[1];
  • cout<<ui[0]<<ui[1];

Dealokovanie ui

delete []ui;

Viacrozmerné dynamicky alokovateľné polia

Deklarujme nasledovné:

int *pp=new int[4];

Vieme, že nasledujúce výrazy sú ekvivalentné:

pp[0]==*pp
pp[1]==*(pp+1)
pp[2]==*(pp+2)
pp[3]==*(pp+3)

Dvojrozmerné dynamicky alokované pole

Definujme nasledovné:

int n=10;
int **M;

M je smerník na smerník na pole n celých čísel.

Alokujme pre M pole n smerníkov na celé čísla:

M=new int*[n];

Po vykonaní tohto výrazu je M pole smerníkov na int. Do tohoto poľa ešte nemôžeme nič ukladať, pretože bunky tohto poľa sú smerníky a ešte sme si nealokovali pre ne miesta, kde budú uložené hodnoty. Pre každý prvok poľa M (prvky sú smerníky na int) si alokujme miesto o n integeroch:

 
for(int i=0;i<n;i++)	
   M[i]=new int[n];

Takto sme vytvorili dvojrozmerné pole celých čísel o veľkosti n×n. Zaujímavosťou tohto riešenie je že n je premenná a jej hodnotu môžme v programe meniť. Pri statických poliach musel byť rozmer konštantný.

Celý kód ešte raz:

 
  int **M=new int*[n];	        // smerník na smerník  na int
  for(int i=0 ; i<n ; i++)	// M[] je pole smerníkov na typ int
    M[i]=new int[n];	        // každému prvku M[i] alokujeme pole integerov o veľkosti n

Príklad 2

Vytvorme program na nájdenie maximálneho prvku poľa:

Riešenie pomocou statických polí

Riešenie pomocou dynamicky akokovaných polí

#include<stdio.h> int main(void) { int i,j; int pocet; int max; int pole[100]; //predpokladáme, že maximum bude 100 čísel //vypýtame si počet zadávaných čísel printf("Zadajte pocet zadavanych cisel: "); scanf("%d",&pocet); //načítame a uložíme jednotlivé čísla do pola for(i = 0;i<pocet;i++) { printf("Zadajte %d. prvok pola: ",i+1); scanf("%d",&pole[i]); //teraz prístup cez index } //jednoduchý cyklus na nájdenie maxima max = pole[0]; for(i = 1;i<pocet;i++) { if (max<pole[i]) { max = pole[i]; } } printf("n Maximalny prvok je : %d",max); }

#include<stdio.h> int main(void) { int i,j; int pocet; int* max; // pozor!!! Tu je smerník! int pole[100]; //predpokladáme, že maximum bude 100 čísel //vypýtame si počet zadávaných čísel printf("Zadajte pocet zadavanych cisel: "); scanf("%d",&pocet); //načítame a uložíme jednotlivé čísla do pola for(i = 0;i<pocet;i++) { printf("Zadajte %d. prvok pola: ",i+1); scanf("%d",pole+i); //teraz prístup cez smerníkovú aritmetiku } //jednoduchý cyklus na nájdenie maxima max = pole; //zmena!!! for(i = 1;i<pocet;i++) { if (*max<pole[i]) //aj tu sa porovnávajú hodnoty!!! { max = pole+i; } } printf("n Maximalny prvok je : %d",*max); }