Операторы циклов. Указатели
Оператор цикла while
Оператор цикла for
Цикл do-while с постусловием. Вложенные циклы
Операторы break, continue и goto
Указатели. Проще простого
Указатели. Приведение типов. Константа NULL
Долгожданная адресная арифметика
Обучающие курсы
Python Python ООП Структуры данных Django C/C++
Телеграм-каналы
Канал selfedu_rus Python Django Машинное обучение Java и С++
Наш канал

Главная
Язык C/C++
Операторы циклов. Указатели

Долгожданная адресная арифметика

Практический курс по C/C++: https://stepik.org/course/193691

На этом занятии поговорим о том, чем пугают студентов информационных специальностей, из-за чего они не спят ночами или просыпаются в холодном поту. Да, это моя любимая и долгожданная адресная арифметика! Суть которой можно выразить одной фразой:

Значение указателя меняется на размер типа данных, для которого он определен.

Осталось только конкретизировать эту фразу и привести примеры.

Пусть в нашей программе объявлена целочисленная переменная g с начальным значением 4 и указатель ptr, который инициализирован на переменную g:

#include <stdio.h>
 
int main(void) 
{
         int g = 4;
         int *ptr = &g;
 
         printf("ptr = %u\n", ptr);
         
         return 0;
}

С помощью функции printf() выполняется вывод адреса указателя ptr в виде беззнакового целого десятичного числа. После запуска программы увидим значение:

ptr = 6487832

Это номер ячейки, начиная с которой располагается целочисленная переменная g. А теперь давайте посмотрим, что будет, если значение адреса указателя ptr увеличить на единицу:

ptr++;
printf("ptr = %u\n", ptr);

Запустим программу, увидим значения:

ptr = 6487832
ptr = 6487836

И вот здесь некоторые начинающие программисты испытывают то, что называют мудреной фразой «когнитивный диссонанс». Почему операция инкремента увеличивает значение адреса сразу на четыре, а не на один, как это, возможно, ожидалось? Ответ очень прост. Когда мы работаем с указателями, а не с обычными переменными, то целочисленные арифметические операции выполняются в соответствии с правилами адресной арифметики. В частности, увеличение на единицу означает, что нам нужно перейти к следующей порции данных в памяти компьютера, а не к следующей ячейке. Именно поэтому адрес указателя увеличивается на размер типа данных, для которого он объявлен. В нашем примере – это тип int, который занимает 4 байта. Поэтому увеличивая на единицу значение адреса указателя ptr, мы получаем прибавку на эти четыре байта. Отсюда и получается такой результат.

Подобный результат будет, если выполнить операцию декремента:

ptr--;
printf("ptr = %u\n", ptr);

тогда значение адреса, наоборот, уменьшится на четыре:

ptr = 6487832
ptr = 6487828

Вот это и есть магия адресной арифметики. Вообще, мы можем с указателями выполнять следующие целочисленные арифметические операции:

#include <stdio.h>
 
int main(void) 
{
         int g = 4;
         int *ptr = &g;
 
         printf("%p\n", ptr);
         
         ptr += 3;
         ptr -= 4;
         ptr = ptr + 10;
         ptr = ptr - 9;
         --ptr;
         ptr++;
 
         printf("%p\n", ptr);
 
         return 0;
}

Обратите внимание, операции должны быть именно целочисленными. В них должны фигурировать или целочисленные литералы или целочисленные переменные. Другие типы здесь использовать недопустимо. Также нельзя использовать операции умножения и деления. Исключение составляет только одна операция вычисления разности между двумя указателями, когда в операндах не используются целочисленные типы. Давайте посмотрим, как она работает на следующем примере:

#include <stdio.h>
 
int main(void) 
{
         short g = 4, d = 1;
         short *ptr = &g;
         short *p = &d;
 
         printf("ptr = %u, p = %u\n", ptr, p);
         
         int res = ptr - p;
         
         printf("res = %d\n", res);
 
         return 0;
}

Смотрите, здесь объявлены сразу две переменные g и d, а затем, два указателя с инициализацией на эти переменные. После этого вычисляется разность между указателями ptr и p и результат заносится в обычную целочисленную переменную res.

После запуска программы увидим результат:

ptr = 6487826, p = 6487824
res = 1

Почему видим значение 1 в переменной res? Конечно, здесь выполняется адресная арифметика, которая возвращает расстояние в памяти между этими двумя переменными, причем расстояние выражено не в байтах, а в типе short, который занимает 2 байта. Фактически, значение res вычисляется по формуле:

res = (6487826 – 6487824) / 2 = 1

Здесь деление на 2 – это, как раз, следствие адресной арифметики (тип short занимает 2 байта).

Давайте посмотрим, что будет, если поменять местами операнды в операции вычитания:

int res = p - ptr;

В этом случае переменная res принимает значение -1.

Пример использования адресной арифметики

Вот вам и вся адресная арифметика. А чтобы было понятнее, приведу один показательный пример ее использования.

Пусть в программе по-прежнему объявляется целочисленная переменная типа int и ставится задача просмотреть побайтно содержимое этой переменной в памяти компьютера. Сделать это можно следующим образом:

#include <stdio.h>
 
int main(void) 
{
         int g = 476789;
         char *ptr = (char *)&g;
 
         for(int i = 0;i < sizeof(g); ++i) {
                   printf("%d ", *ptr);
                   ptr++;
         }
 
         return 0;
}

Смотрите, мы здесь формируем указатель, который работает с байтовыми данными, то есть, с отдельными ячейками памяти. Затем, ему присваивается адрес целочисленной переменной g и в результате он ссылается на первый байт этой переменной. После этого в цикле for осуществляется вывод текущего значения байта на экран и указатель ptr увеличивается на единицу. Так как тип у него прописан как char, то операция инкремента увеличит адрес ptr ровно на один и мы перейдем к следующему байту. Соответственно, на следующей итерации будет выведено значение очередного байта и так для всех ячеек переменной int. В итоге на экране увидим числа:

117 70 7 0

которые в точности определяют число:

476789 = 117 + 256 ∙ 70 + 256^2 ∙ 7

Приоритеты операций при работе с указателем

Кстати, тело цикла в программе можно было бы записать и короче:

for(int i = 0;i < sizeof(g); ++i)
         printf("%d ", *ptr++);

Здесь у нас две унарные операции ++ и * применяются к указателю ptr. Спрашивается, в каком порядке будут происходить вычисления? Здесь следует вспомнить, что приоритет унарных операций убывает справа-налево. Поэтому сначала идет инкремент в постфиксной форме и только затем операция разыменования. Это эквивалентно такой записи:

*(ptr++)

Так как инкремент записан в постфиксной форме, то вначале мы получаем текущее значение ptr, к нему применяется операция * и только после этого адрес увеличивается на единицу.

А вот если инкремент записать в префиксной форме:

for(int i = 0;i < sizeof(g); ++i)
         printf("%d ", *++ptr);

то это будет эквивалентно записи:

*(++ptr)

Здесь сначала адрес указателя увеличивается на единицу и только после этого срабатывает следующая операция разыменования. Поэтому байты будут прочитаны со сдвигом вправо на одну ячейку:

70 7 0 3

Вообще, когда мы используем указатель совместно с операцией разыменования и адресной арифметикой, то следует хорошо знать и учитывать их приоритеты. Например, имеется следующий фрагмент программы:

int g = 476789;
int *p = &g;
 
*p += 1;

Спрашивается, как будет работать последняя строчка? Рассуждаем здесь подобным образом. Так как операция * является унарной, то она обладает большим приоритетом, чем операция +=. Поэтому здесь сначала будет прочитано значение переменной g, затем, оно увеличивается на единицу и результат снова заносится в те же ячейки памяти, где расположена переменная g. В итоге, значение указателя p не изменится, а переменная g станет на единицу больше.

Если вы не уверены в порядке выполнения операций, то вполне допустимо использовать круглые скобки. Например, имеется программа:

#include <stdio.h>
 
int main(void) 
{
         int g = 476789;
         char *ptr = (char *)&g;
 
         int x = *ptr + 1;
         printf("x = %d\n", x);
 
         return 0;
}

И спрашивается, чему будет равно значение переменной x? То есть, как отработает операция «*ptr + 1»? Очевидно, здесь приоритет унарной операции * выше, чем у бинарной операции сложения. Поэтому, сначала будет прочитано значение из первого байта переменной g – это число 117, а затем, к нему будет прибавлена единица. В итоге x будет содержать число 118.

А вот если эту же строчку записать с круглыми скобками следующим образом:

int x = *(ptr + 1);

то ситуация кардинально меняется. Сначала будет увеличен адрес на единицу, мы перейдем к следующей ячейке переменной g, и переменной x будет присвоено значение этой второй ячейки. В итоге она будет принимать значение 70.

И раз еще давайте посмотрим на работу команды:

int x = *ptr++;

Такая запись указателя с операцией инкремента и разыменованием часто используется в практике программирования. В итоге мы здесь читаем значение из текущей ячейки, и только после этого адрес указателя увеличивается на единицу. Но, если мы это же выражение запишем в виде:

int x = (*ptr)++;

то операция инкремента будет применена уже к данным в первой ячейке переменной g. В итоге переменной x присвоится начальное значение из первой ячейки, а переменная g станет содержать число:

476790 = 118 + 256 ∙ 70 + 256^2 ∙ 7

Как видите, все работает достаточно просто и логично. Возможно, если вы только делаете первые шаги в этой теме, нужно немного привыкнуть к особенностям работы указателей. Но ровным счетом ничего сложного в понимании их работы нет. Очень скоро, при определенной практике, каждый из вас сможет грамотно применять их в своих программах.

Практический курс по C/C++: https://stepik.org/course/193691

Долгожданная адресная арифметика

Пример использования адресной арифметики

Приоритеты операций при работе с указателем

Видео по теме