Занятие 16. Указатели.

Здравствуйте друзья.

Сегодня у нас важная и сложная тема. Возможно, самая сложная тема за все время. Указатели.

Прочитайте более простую версию этого урока "Указатели".

В новой версии:

• Ещё более доступное объяснение
• Дополнительные материалы
• 10 задач на программирование с автоматической проверкой решения

Прежде вспомним основы шестнадцатеричной системы счисления.

Любое число в 16-тиричной системе счисления записывается с помощью символов 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F. Шестнадцатеричной она называется, потому что в ней для записи различных чисел используются 16 основных цифр. Например, в привычной нами десятичной системе счисления используется десять основных цифр 0,1,2,3,4,5,6,7,8 и 9. 

Первые десять цифр в 16-тиричной системе счисления такие же, как и в десятичной системе, а вот для записи следующих шести используются буквы латинского алфавита. 

A=10

B=11

C=12

D=13

E=14

F=15.

Как перевести число из шестнадцатеричной системы счисления в десятичную.

Пусть у нас есть число 2D5. И мы хотим узнать, сколько это в нашей десятичной системе счисления.

Для этого сначала разделим число на цифры:

2 D 5

Теперь заменим все буквы, на их числовые обозначения:

2 13 5

Пронумеруем эти цифры справа налево начиная с нуля.

2   13   5

2         1      0

Умножим каждую из цифр, на 16 в степени, соответствующей порядковому номеру. И сложим все это между собой.

Рис.1 Перевод шестнадцатеричного числа в десятичную систему счисления

В результате получим 725. Это и есть число 2D5 в десятичной системе счисления.

Перевод числа из десятичной в шестнадцатеричную систему счисления. 

Давайте переведем число 725 обратно в шестнадцатеричную систему счисления. В результате у нас должно получится 2D5.

Рис.2 Перевод из 10-ой в 16-ричную

Для перевода, нам необходимо поделить с остатком число 725 на 16 в столбик. Получим 45 и остаток 5. 

Теперь делим 45 на 16 с остатком. Получим 2 и остаток 13. Оба числа меньше 16 значит на этом можно закончить деление.

Теперь записываем эти числа в обратном порядке и заменяем буквами соответствующие. 

Как вы уже успели заметить, мы получили то, что и ожидали 2D5.

А теперь посмотрите на следующее число 235. Оно может быть как числом в десятичной, так и в шестнадцатеричной системе счисления. А кстати, чему будет равно число 235 в шестнадцатеричной системе счисления  при переводе в десятичную систему? Переведите самостоятельно, посмотрите сколь велико отличие.

Нужно как-то уметь отличать. Для этого используются специальные обозначения. Одним из способов является запись в которой шестнадцатеричному числу предшествует пара символов «0х». Т.е. запись 0х235 говорит нам, что 235 это число, записанное в шестнадцатеричной системе счисления.

Переменные и их адреса.

Как отмечалось во втором уроке, каждая переменная хранится в памяти. Естественно у каждой переменной в памяти есть свой адрес, по которому она записана. Мы уже даже использовали адреса переменных, когда пользовались функцией scanf().

Чтобы получить адрес переменной нам необходимо перед её именем написать символ “&”.

Память компьютера мы можем представить себе в виде таблицы с ячейками по одному байту, каждая из которых имеет свой адрес. Кстати, адреса записываются цифрами шестнадцатеричной системы. Например, это можно представить так, как показано на следующем рисунке.

Рис.3 Пример представления памяти компьютера

Как мы уже знаем, каждая переменная в зависимости от её типа, она занимает в памяти различное количество байт. Ну или в нашей интерпретации ячеек. Для того, чтобы узнать размеры  различных типов переменных можно использовать функцию sizeof(). Ниже представлена программа, иллюстрирующая её использование.

Листинг 16.1

#include <stdio.h>

int main (){

printf ("razmer peremennoi tipa char %d\n", sizeof(char));

printf ("razmer peremennoi tipa int %d\n", sizeof(int));

printf ("razmer peremennoi tipa float %d\n", sizeof(float));

printf ("razmer peremennoi tipa double %d\n", sizeof(double));

return(0);

}

Результат её работы:

Рис 4. Программа иллюстрирующая работу sizeof()

У вас данные цифры могут быть другими кстати. Так как стандартом языка не оговаривается какой тип сколько должен занимать в памяти. Оговариваются только из соотношения. Например, размер double не должен быть меньше чем размер float.

То есть, если я объявляю в программе переменную типа int, то под нее в памяти выделяется 4 байта (ячейки).

Так как мы уже умеем получать адрес переменной, то давайте посмотрим на него. Для того, чтобы вывести число в шестнадцатеричной системе существует специальный спецификатор “%x”. И для него есть модификатор “#” при его записи, шестнадцатеричное число выводится с символами «0х».

Листинг 16.2

#include <stdio.h>

int main (){

      int a,b;

      printf ("adres peremennoi a %#x\n", &a);

      printf ("adres peremennoi b %#x\n", &b);

return(0);

}

Рис.5 Адреса переменных в памяти

Мы получили два адреса 0x12ff60 и 0x12ff56. По этим адресам в памяти записаны наши переменные a и b. При этом они занимают в памяти по 4 клетки подряд, так как это переменные целого типа и из рисунка 3 видно, что их размер 4 байта. Это выглядит примерно следующим образом.

Рис.6. Пример расположения переменных в памяти

Как вы уже заметили, переменные в память записываются не одна за другой, а в произвольном месте, лишь бы там было пусто и хватило места. Исключение составляют массивы. Они записываются в память последовательно. Посмотрите на результат работы следующей программы.

Листинг 16.3

#include <stdio.h>

int main (){

      int a[3];

      printf ("adres peremennoi a[0] %#x\n", &a[0]);

      printf ("adres peremennoi a[1] %#x\n", &a[1]);

return(0);

}

Рис.7 Расположение массива в памяти

Видите, каждый элемент занимает ровно 4 ячейки, потом идет следующий. По порядку и никак иначе. Это важный факт, он иногда используется в программировании. Но сейчас не об этом.

Адреса это хорошо, но что с ними делать? На кой чёрт они нам сдались?

Обо всем по порядку. 

Указатели. 

Во-первых, для хранения адресов существует специальные переменные, которые называются указателями.  Таким образом, мы вплотную подобрались к теме нашего урока - к указателям.

Указатель – переменная, предназначенная для хранения адреса в памяти.

Обычно, указатели используют, чтобы хранить адреса других переменных.

Объявление указателя.

Указатель, раз это переменная, должен как-то объявляться. Делается это почти что также как и обычно.

int * p_a;

Сначала указывается тип переменной, которая будет храниться в памяти, по адресу указателя. Далее следует специальный символ «*» (звездочка), которая и указывает на то, что мы собираемся объявить не просто переменную типа int, а указатель на переменную типа int. После звездочки пишут имя указателя. Ну и естественно заключительная точка с запятой.

В нашем примере, мы объявили  указатель с именем p_a, который будет указывать на переменную типа int. Кстати, обычно, чтобы не путать указатели с другими переменными, в их имена добавляют какой-нибудь отличительный знак. Например, я вот добавляю обычно “p_”.  Когда я вижу в своей программе переменную, имя которой начинается с этих символов, я точно знаю что это у меня указатель. Кроме того, если программа большая, я помимо этого указывают после «p» ещё и тип переменной для типа int  - i, для float – f, для char – с и так далее, получается что-то типа pi_a. Это  сразу говорит мне, что это указатель, который ссылается на переменную типа int.

  

Присвоение указателю адреса.

Давайте перепишем Листинг 16.2, используя указатели.

Листинг 16.4

#include <stdio.h>

int main (){

      int a,b,*pi_a, *pi_b;

      pi_a=&a;

      pi_b=&b;

      printf ("adres peremennoi a %#x\n", pi_a);

      printf ("adres peremennoi b %p\n", pi_b);

return(0);

}

Рис.8. Пример хранения адреса переменной в указателе.

Как видите, после объявления с указателем можно работать так же, как и с обычной переменной. Ему можно присвоить некоторый адрес, используя оператор «=».

И заметьте, для  вывода указателя можно использовать специальный спецификатор вывода «p».

Получение значения переменной.

Мы можем получить значение, которое хранится по адресу, записанному в указателе. Для этого используется оператор «*». Ага, снова эта пресловутая звездочка. Догадайтесь, куда она записывается? Ага, именно туда, перед именем указателя. Вот такие чудеса творятся иногда.  Надо посмотреть на примере.

Давайте немного изменим Листинг 16.4.  Добавим переменным значения и попробуем получить их, используя указатели.

Листинг 16.5

#include <stdio.h>

int main (){

      int a=3, b=0, *pi_a;    //объявляем переменную a

//и указатель на переменную типа int

      pi_a=&a; // присваиваем указателю адресс переменной а

      *pi_a=b; // записываем в память, по адресу который хранится в указателе

                   // значение переменной b

      printf ("adres peremennoi a %#x\n", pi_a);

      printf ("znachenie po adresu zapisannomy v pi_a %d\n", *pi_a);

return(0);

}

Рис.9. Использование указателей для обращения к значениям переменных,на которые они ссылаются

Как видите, используя запись *pi_a можно обращаться с указателем, как с переменной соответствующего типа. В нашем случае, как с переменной типа int.

Еще раз обсудим звездочку в указателях.

• Если  звездочка стоит перед именем в объявлении переменной, то в этом случае она означает, что объявляется указатель.
• Если звездочка встречается внутри программы, то в данном случае, она указывает на то, что мы обращаемся к ячейкам памяти, на которые ссылается указатель.

Еще раз внимательно перечитайте предыдущий пункт. Он очень важен, вам необходимо в этом разобраться. Задавайте вопросы в комментариях, если вам что-то непонятно. С этим обязательно нужно хорошо разобраться.

Есть еще один специальный указатель. Он имеет свое особое название – нулевой указатель NULL. Нулевой указатель не ссылается никуда. Он используется, чтобы обнулять указатели. Посмотрите на следующую программу.

Листинг 16.6

#include <stdio.h>

int main (){

      int a=3,*pi_a;

      pi_a=&a; // присваиваем указателю адресс переменной а

      printf ("adres peremennoi a %#x\n", pi_a);

      pi_a=NULL;

      printf ("adres peremennoi a %#x\n", pi_a);

return(0);

}

Рис.10 Нулевой указатель

Это почти все основные действия, которые можно производить  с указателями. Есть еще одно интересное свойство, мы его коснемся чуть позже.

И под конец урока. Не зря же мы с вами так долго паримся с этими указателями сегодня. Один небольшой пример. Помните занятие про функции? Или недавнюю небольшую головоломку в группе во Вконтакте.

Кто не помнит, вот вам картинка.

Рис.11 Простенькая головоломка. Что выведет представленная программа?

Нам известно, когда мы передаем переменные в функцию, то передаются не сами переменные, а их копии? Иногда нам это вовсе не нужно. Иногда удобно сделать так, чтобы значения все-таки изменялись. Для этого, нужно передавать в функцию не переменную, а указатель на неё.

Давайте перепишем программу с картинки, чтобы она работала так, как и предполагается.

Листинг 16.7

#include <stdio.h>

void obmen (int *pi_a, int *pi_b){

//принимаем указатели на переменные типа int

      int temp;

      temp=*pi_a;

      *pi_a=*pi_b;

      *pi_b=temp;

}

int main (){

      int x=5, y=10;

      obmen(&x,&y);

// ВНИМАНИЕ!передаем адреса, так как функция obmen принимаем указатели

      printf ("Posle x=%d y=%d\n",x,y);

return(0);

}

Рис.12 Пример работы программы с указателями

Как видите, теперь работает как надо. Если вы внимательно разобрались с началом урока, то проблем с этой программой возникнуть не должно. Если вопросы есть, задавайте в комментариях. Я постараюсь все вам разъяснить.

Подробный урок о том, зачем нужны указатели.

И это еще не все возможности указателей. Следующее занятие снова будет посвящено указателям. Их связью с массивами и строками.

Отдельного домашнего задания не будет. Хорошенько разберитесь с этим занятием. Вам должна быть тут понятна каждая строчка. Если интересно, можете потренироваться переводить числа из десятичной системы счисления в шестнадцатеричную, и обратно.  И раз уж мы учимся программировать, то напишите для этого программу. =)))

Если вам понравился этот или другие уроки, расскажите пожалуйста о них, своим друзьям Вконтакте,Facebook,Google+, используя кнопки социальных сетей расположенные ниже.