Адресная арифметика
Если p есть указатель на некоторый элемент массива, то p++ увеличивает p так, чтобы он указывал на следующий элемент, а p+=i увеличивает его, чтобы он указывал на i-й элемент после того, на который указывал ранее. Эти и подобные конструкции - самые простые примеры арифметики над указателями, называемой также адресной арифметикой.
Си последователен и единообразен в своем подходе к адресной арифметике. Это соединение в одном языке указателей, массивов и адресной арифметики - одна из сильных его сторон. Проиллюстрируем сказанное построением простого распределителя памяти, состоящего из двух программ. Первая, alloc(n), возвращает указатель p на n последовательно расположенных ячеек типа char; программой, обращающейся к alloc, эти ячейки могут быть использованы для запоминания символов. Вторая, afree(p), освобождает память для, возможно, повторной ее утилизации. Простота алгоритма обусловлена предположением, что обращения к afree делаются в обратном порядке по отношению к соответствующим обращениям к alloc. Таким образом, память, с которой работают alloc и afree, является стеком (списком, в основе которого лежит принцип "последним вошел, первым ушел"). В стандартной библиотеке имеются функции malloc и free, которые делают то же самое, только без упомянутых ограничений: в параграфе 8.7 мы покажем, как они выглядят.
Функцию alloc легче всего реализовать, если условиться, что она будет выдавать куски некоторого большого массива типа char, который мы назовем allocbuf. Этот массив отдадим в личное пользование функциям alloc и afree. Так как они имеют дело с указателями, а не с индексами массива, то другим программам знать его имя не нужно. Кроме того, этот массив можно определить в том же исходном файле, что и alloc и afree, объявив его static, благодаря чему он станет невидимым вне этого файла. На практике такой массив может и вовсе не иметь имени, поскольку его можно запросить с помощью malloc у операционной системы и получить указатель на некоторый безымянный блок памяти.
Естественно, нам нужно знать, сколько элементов массива allocbuf уже занято. Мы введем указатель allocp, который будет указывать на первый свободный элемент. Если запрашивается память для n символов, то alloc возвращает текущее значение allocp (т. е. адрес начала свободного блока) и затем увеличивает его на n, чтобы указатель allocp указывал на следующую свободную область. Если же пространства нет, то alloc выдает нуль. Функция afree(p) просто устанавливает allocp в значение p, если оно не выходит за пределы массива allocbuf.
Перед вызовом allос:
После вызова alloc:
#define ALLOCSIZE 10000 /* размер доступного пространства */
static char allocbuf[ALLOCSIZE]; /* память для alloc */ static char *allocp = allocbuf; /* указатель на своб. место */
char *alloc(int n) /* возвращает указатель на n символов */ { if (allocbuf + ALLOCSIZE - allocp >= n) { allocp += n; /* пространство есть */ return allocp – n; /* старое p */ } else /* пространства нет */ return 0; }
void afree(char *p) /* освобождает память, на которую указывает p */ { if (р >= allocbuf && p < allocbuf + ALLOCSIZE) allocp = p; }
В общем случае указатель, как и любую другую переменную, можно инициализировать, но только такими осмысленными для него значениями, как нуль или выражение, приводящее к адресу ранее определенных данных соответствующего типа. Объявление
static char *allocp = allocbuf;
определяет allocp как указатель на char и инициализирует его адресом массива allocbuf, поскольку перед началом работы программы массив allocbuf пуст. Указанное объявление могло бы иметь и такой вид:
static char *allocp = &allocbuf[0];
поскольку имя массива и есть адрес его нулевого элемента. Проверка
if (allocbuf + ALLOCSIZE - allocp >= n) { /* годится */
контролирует, достаточно ли пространства, чтобы удовлетворить запрос на n символов. Если памяти достаточно, то новое значение для allocp должно указывать не далее чем на следующую позицию за последним элементом allocbuf. При выполнении этого требования alloc выдает указатель на начало выделенного блока символов (обратите внимание на объявление типа самой функции). Если требование не выполняется, функция alloc должна выдать какой-то сигнал о том, что памяти не хватает. Си гарантирует, что нуль никогда не будет правильным адресом для данных, поэтому мы будем использовать его в качестве признака аварийного события, в нашем случае нехватки памяти.
Указатели и целые не являются взаимозаменяемыми объектами. Константа нуль - единственное исключение из этого правила: ее можно присвоить указателю, и указатель можно сравнить с нулевой константой. Чтобы показать, что нуль - это специальное значение для указателя, вместо цифры нуль, как правило, записывают NULL - константу, определенную в файле <stdio.h> (I.B.: вообще-то эта константа определена в <stddef.h> или <string.h>). С этого момента и мы будем ею пользоваться. Проверки
if (allocbuf + ALLOCSIZE - allocp >= n) { /* годится */
и
if (p >= allocbuf && p < allocbuf + ALLOCSIZE)
демонстрируют несколько важных свойств арифметики с указателями. Во- первых, при соблюдении некоторых правил указатели можно сравнивать.
Если p и q указывают на элементы одного массива, то к ним можно применять операторы отношения ==, !=, , >= и т. д. Например, отношение вида
p < q
истинно, если p указывает на более ранний элемент массива, чем q. Любой указатель всегда можно сравнить на равенство и неравенство с нулем. А вот для указателей, не указывающих на элементы одного массива, результат арифметических операций или сравнений не определен. (Существует одно исключение: в арифметике с указателями можно использовать адрес несуществующего "следующего за массивом" элемента, т. е. адрес того "элемента", который станет последним, если в массив добавить еще один элемент.)
Во-вторых, как вы уже, наверное, заметили, указатели и целые можно складывать и вычитать. Конструкция
p + n
означает адрес объекта, занимающего n-е место после объекта, на который указывает p. Это справедливо безотносительно к типу объекта, на который указывает p; n автоматически домножается на коэффициент, соответствующий размеру объекта. Информация о размере неявно присутствует в объявлении p. Если, к примеру, int занимает четыре байта, то коэффициент умножения будет равен четырем.
Допускается также вычитание указателей. Например, если p и q указывают на элементы одного массива и p<q, то q-p+1 есть число элементов от p до q включительно. Этим фактом можно воспользоваться при написании еще одной версии strlen:
/* strlen: возвращает длину строки s */ int strlen(char *s) { char *p = s; while (*p != '\0') p++; return p - s; }
В своем объявлении p инициализируется значением s, т. е. вначале p указывает на первый символ строки. На каждом шаге цикла while проверяется очередной символ; цикл продолжается до тех пор, пока не встретится '\0'. Каждое продвижение указателя p на следующий символ выполняется инструкцией p++, и разность p-s дает число пройденных символов, т. е. длину строки. (Число символов в строке может быть слишком большим, чтобы хранить его в переменной типа int. Тип ptrdiff_t, достаточный для хранения разности (со знаком) двух указателей, определен в заголовочном файле <stddef.h>. Однако, если быть очень осторожными, нам следовало бы для возвращаемого результата использовать тип size_t, в этом случае наша программа соответствовала бы стандартной библиотечной версии. Тип size_t есть тип беззнакового целого, возвращаемого оператором sizeof.
Арифметика с указателями учитывает тип: если она имеет дело со значениями float, занимающими больше памяти, чем char, и p - указатель на float, то p++ продвинет p на следующее значение float. Это значит, что другую версию alloc, которая имеет дело с элементами типа float, а не char, можно получить простой заменой в alloc и afree всех char на float. Все операции с указателями будут автоматически откорректированы в соответствии с размером объектов, на которые указывают указатели.
Можно производить следующие операции с указателями: присваивание значения указателя другому указателю того же типа, сложение и вычитание указателя и целого, вычитание и сравнение двух указателей, указывающих на элементы одного и того же массива, а также присваивание указателю нуля и сравнение указателя с нулем. Других операций с указателями производить не допускается. Нельзя складывать два указателя, перемножать их, делить, сдвигать, выделять разряды; указатель нельзя складывать со значением типа float или double; указателю одного типа нельзя даже присвоить указатель другого типа, не выполнив предварительно операции приведения (исключение составляют лишь указатели типа void*).
