2.3.2. Указатели

Указатель (pointer) — это составной тип, переменная которого указывает на объект другого типа. Подобно ссылкам, указатели используются для косвенного доступа к другим объектам. В отличие от ссылок, указатель — это настоящий объект. Указатели могут быть присвоены и скопированы; один указатель за время своего существования может указывать на несколько разных объектов. В отличие от ссылки, указатель можно не инициализировать в момент определения. Подобно объектам других встроенных типов, значение неинициализированного указателя, определенного в области видимости блока, неопределенно.

Указатели зачастую трудно понять. При отладке проблемы, связанные с ошибками в указателях, способны запутать даже опытных программистов.

Тип указателя определяется оператором в форме *d, где d — определяемое имя. Символ * следует повторять для каждой переменной указателя.

int *ip1, *ip2;  // ip1 и ip2 — указатели на тип int

double dp, *dp2; // dp2 — указатель на тип double;

                 // dp — переменная типа double

Получение адреса объекта

Указатель содержит адрес другого объекта. Для получения адреса объекта используется оператор обращения к адресу (address-of operator), или оператор &.

int ival = 42;

int *p = &ival; // p содержит адрес переменной ival;

                // p - указатель на переменную ival

Второй оператор определяет p как указатель на тип int и инициализирует его адресом объекта ival типа int. Поскольку ссылки не объекты, у них нет адресов, а следовательно, невозможно определить указатель на ссылку.

За двумя исключениями, рассматриваемыми в разделах 2.4.2 и 15.2.3, типы указателя и объекта, на который он указывает, должны совпадать.

double dval;

double *pd = &dval; // ok: инициализатор - адрес объекта типа double

double *pd2 = pd;   // ok: инициализатор - указатель на тип double

int *pi = pd;       // ошибка: типы pi и pd отличаются

pi = &dval;         // ошибка: присвоение адреса типа double

                    // указателю на тип int

Типы должны совпадать, поскольку тип указателя используется для выведения типа объекта, на который он указывает. Если бы указатель содержал адрес объекта другого типа, то выполнение операций с основным объектом потерпело бы неудачу.

Значение указателя

Хранимое в указателе значение (т.е. адрес) может находиться в одном из четырех состояний.

1. Оно может указывать на объект.

2. Оно может указывать на область непосредственно за концом объекта

3. Это может быть нулевое значение, означающее, что данный указатель не связан ни с одним объектом.

4. Оно может быть недопустимо. Любое иное значение, кроме приведенного выше, является недопустимым.

Копирование или иная попытка доступа к значению по недопустимому указателю является серьезной ошибкой. Как и использование неинициализированной переменной, компилятор вряд ли обнаружит эту ошибку. Результат доступа к недопустимому указателю непредсказуем. Поэтому всегда следует знать, допустим ли данный указатель.

Хотя указатели в случаях 2 и 3 допустимы, действия с ними ограничены. Поскольку эти указатели не указывают ни на какой объект, их нельзя использовать для доступа к объекту. Если все же сделать попытку доступа к объекту по такому указателю, то результат будет непредсказуем.

Использование указателя для доступа к объекту

Когда указатель указывает на объект, для доступа к этому объекту можно использовать оператор обращения к значению (dereference operator), или оператор *.

int ival = 42;

int *p = &ival; // p содержит адрес ival; p - указатель на ival

cout << *p;     // * возвращает объект, на который указывает p;

                // выводит 42

Обращение к значению указателя возвращает объект, на который указывает указатель. Присвоив значение результату оператора обращения к значению, можно присвоить его самому объекту.

*p = 0;     // * возвращает объект; присвоение нового значения

            // ival через указатель p

cout << *p; // выводит 0

При присвоении значения *p оно присваивается объекту, на который указывает указатель p.

Обратиться к значению можно только по допустимому указателю, который указывает на объект.

Ключевая концепция. У некоторых символов есть несколько значений

Некоторые символы, такие как & и *, используются и как оператор в выражении, и как часть объявления. Контекст, в котором используется символ, определяет то, что он означает.

int i = 42;

int &r = i;   // & следует за типом в части объявления; r - ссылка

int *p;       // * следует за типом в части объявления; p - указатель

p = &i;       // & используется в выражении как оператор

              // обращения к адресу

*p = i;       // * используется в выражении как оператор

              // обращения к значению

int &r2 = *p; // & в части объявления; * - оператор обращения к значению

В объявлениях символы & и * используются для формирования составных типов. В выражениях эти же символы используются для обозначения оператора. Поскольку тот же символ используется в совершенно ином смысле, возможно, стоит игнорировать внешнее сходство и считать их как будто различными символами.

Нулевые указатели

Нулевой указатель (null pointer) не указывает ни на какой объект. Код может проверить, не является ли указатель нулевым, прежде чем пытаться использовать его. Есть несколько способов получить нулевой указатель.

int *p1 = nullptr; // эквивалентно int *p1 = 0;

int *p2 = 0;       // непосредственно инициализирует p2 литеральной

                   // константой 0, необходимо #include cstdlib

int *p3 = NULL;    // эквивалентно int *p3 = 0;

Проще всего инициализировать указатель, используя литерал nullptr, который был введен новым стандартом. Литерал nullptr имеет специальный тип, который может быть преобразован (см. раздел 2.1.2) в любой другой ссылочный тип. В качестве альтернативы можно инициализировать указатель литералом 0, как это сделано в определении указателя p2.

Программисты со стажем иногда используют переменную препроцессора (preprocessor variable) NULL, которую заголовок cstdlib определяет как 0.

Немного подробней препроцессор рассматривается в разделе 2.6.3, а пока достаточно знать, что препроцессор (preprocessor) — это программа, которая выполняется перед компилятором. Переменные препроцессора используются препроцессором, они не являются частью пространства имен std, поэтому их указывают непосредственно, без префикса std::.

При использовании переменной препроцессора последний автоматически заменяет такую переменную ее значением. Следовательно, инициализация указателя переменной NULL эквивалентна его инициализации значением 0. Сейчас программы С++ вообще должны избегать применения переменной NULL и использовать вместо нее литерал nullptr.

Нельзя присваивать переменную типа int указателю, даже если ее значением является 0.

int zero = 0;

pi = zero; // ошибка: нельзя присвоить переменную типа int указателю

Совет. Инициализируйте все указатели

Неинициализированные указатели — обычный источник ошибок времени выполнения.

Подобно любой другой неинициализированной переменной, последствия использования неинициализированного указателя непредсказуемы. Использование неинициализированного указателя почти всегда приводит к аварийному отказу во время выполнения. Однако поиск причин таких отказов может оказаться на удивление трудным.

У большинства компиляторов при использовании неинициализированного указателя биты в памяти, где он располагается, используются как адрес. Использование неинициализированного указателя — это попытка доступа к несуществующему объекту в произвольной области памяти. Нет никакого способа отличить допустимый адрес от недопустимого, состоящего из случайных битов, находящихся в той области памяти, которая была зарезервирована для указателя.

Авторы рекомендуют инициализировать все переменные, а особенно указатели. Если это возможно, определяйте указатель только после определения объекта, на который он должен указывать. Если связываемого с указателем объекта еще нет, то инициализируйте указатель значением nullptr или 0. Так код программы может узнать, что указатель не указывает на объект.

Присвоение и указатели

И указатели, и ссылки предоставляют косвенный доступ к другим объектам. Однако есть важные различия в способе, которым они это делают. Самое важное то, что ссылка — это не объект. После того как ссылка определена, нет никакого способа заставить ее ссылаться на другой объект. При использовании ссылки всегда используется объект, с которым она была связана первоначально.

Между указателем и содержащимся в нем адресом нет такой связи. Подобно любой другой (нессылочной) переменной, при присвоении указателя для него устанавливается новое значение. Присвоение заставляет указатель указывать на другой объект.

int i = 42;

int *pi = 0;   // указатель pi инициализирован, но не адресом объекта

int *pi2 = &i; // указатель pi2 инициализирован адресом объекта i

int *pi3;      // если pi3 определен в блоке, pi3 не инициализирован

pi3 = pi2;     // pi3 и pi2 указывают на тот же объект, т.е. на i

pi2 = 0;       // теперь pi2 не содержит адреса никакого объекта

Сначала может быть трудно понять, изменяет ли присвоение указатель или сам объект, на который он указывает. Важно не забывать, что присвоение изменяет свой левый операнд. Следующий код присваивает новое значение переменной pi, что изменяет адрес, который она хранит:

pi = &ival; // значение pi изменено; теперь pi указывает на ival

С другой стороны, следующий код (использующий *pi, т.е. значение, на которое указывает указатель pi) изменяет значение объекта:

*pi = 0; // значение ival изменено; pi неизменен

Другие операции с указателями

Пока значение указателя допустимо, его можно использовать в условии. Аналогично использованию арифметических значений (раздел 2.1.2), если указатель содержит значение 0, то условие считается ложным.

int ival = 1024;

int *pi = 0;      // pi допустим, нулевой указатель

int *pi2 = &ival; // pi2 допустим, содержит адрес ival

if (pi)           // pi содержит значение 0, условие считается ложным

 // ...

if (pi2)          // pi2 указывает на ival, значит, содержит не 0;

                  // условие считается истинным

 // ...

Любой отличный от нулевого указатель рассматривается как значение true. Два допустимых указателя того же типа можно сравнить, используя операторы равенства (==) и неравенства (!=). Результат этих операторов имеет тип bool. Два указателя равны, если они содержат одинаковый адрес, и неравны в противном случае. Два указателя содержат одинаковый адрес (т.е. равны), если они оба нулевые, если они указывают на тот же объект или на область непосредственно за концом того же объекта. Обратите внимание, что указатель на объект и указатель на область за концом другого объекта вполне могут содержать одинаковый адрес. Такие указатели равны.

Поскольку операции сравнения используют значения указателей, эти указатели должны быть допустимы. Результат использования недопустимого указателя в условии или в сравнении непредсказуем.

Дополнительные операции с указателями будут описаны в разделе 3.5.3.

Тип void* является специальным типом указателя, способного содержать адрес любого объекта. Подобно любому другому указателю, указатель void* содержит адрес, но тип объекта по этому адресу неизвестен.

double obj = 3.14, *pd = &obj;

// ok: void* может содержать адрес любого типа данных

void *pv = &obj; // obj может быть объектом любого типа

pv = pd;         // pv может содержать указатель на любой тип

С указателем void* допустимо немного действий: его можно сравнить с другим указателем, можно передать его функции или возвратить из нее либо присвоить другому указателю типа void*. Его нельзя использовать для работы с объектом, адрес которого он содержит, поскольку неизвестен тип объекта, неизвестны и операции, которые можно с ним выполнять.

Как правило, указатель void* используют для работы с памятью как с областью памяти, а не для доступа к объекту, хранящемуся в этой области. Использование указателей void* рассматривается в разделе 19.1.1, а в разделе 4.11.3 продемонстрировано, как можно получить адрес, хранящийся в указателе void*.

Упражнения раздела 2.3.2

Упражнение 2.18. Напишите код, изменяющий значение указателя. Напишите код для изменения значения, на которое указывает указатель.

Упражнение 2.19. Объясните основные отличия между указателями и ссылками.

Упражнение 2.20. Что делает следующая программа?

int i = 42;

int *p1 = &i;

*p1 = *p1 * *p1;

Упражнение 2.21. Объясните каждое из следующих определений. Укажите, все ли они корректны и почему.

int i = 0;

(a) double* dp = &i; (b) int *ip = i; (c) int *p = &i;

Упражнение 2.22. С учетом того, что p является указателем на тип int, объясните следующий код:

if (p) // ...

if (*p) // ...

Упражнение 2.23. Есть указатель p, можно ли определить, указывает ли он на допустимый объект? Если да, то как? Если нет, то почему?

Упражнение 2.24. Почему инициализация указателя p допустима, а указателя lp нет?

int i = 42; void *p = &i; long *lp = &i;