Wskaźniki i zarządzanie pamięcią

Korzystając z C jesteśmy w stanie operować adresami pamięci, stąd też jest określany jako język niskiego poziomu. Pozwala to robić rzeczy, które nie zawsze są dostępne w innych językach. Aby uzyskać dostęp do konkretnego obszaru pamięci, trzeba wykorzystać wskaźnik, ale czym on właściwie jest?

Wskaźniki

Wskaźnik to zmienna, która przechowuje adres do obszaru pamięci. Podobnie jak int przechowuje liczby całkowite, a float zmiennoprzecinkowe, tak wskaźnik przechowuje adres pamięci.

Deklaracja wskaźnika

Aby zadeklarować wskaźnik, należy podać typ danych, na który ma wskazywać, oraz użyć * po typie, a przed nazwą wskaźnika. Położenie spacji między typem i nazwą nie ma znaczenia dla kompilatora.

int *wskaznik1;     // wskaźnik na int
float* wskaznik2;   // wskaźnik na float
double * wskaznik3; // wskaźnik na double
char *wskaznik4;    // wskaźnik na char

Mając tak zdefiniowane wskaźniki, można je ustawić na adresy zmiennych. Służy do tego operator pobrania adresu &. Dodając go do nazwy zmiennej, np. &zmienna, zwracany jest adres w pamięci, gdzie jest przechowywana.

int a = 10;
float b = 3.5f;
double c = 7.25;
char d = 'X';

int *wskaznik1 = &a;
float *wskaznik2 = &b;
double *wskaznik3 = &c;
char *wskaznik4 = &d;

Rozmiar wskaźnika zależy od architektury i kompilatora. Dla 32-bit jest to 4 bajty, a dla 64-bit 8 bajtów.

Wskaźnik typu void

Może istnieć także wskaźnik typu void*, oznacza to, że przechowuje adres danych, ale nie wiadomo, jakiego typu one są.

void *wskaznik1; // wskaźnik nieznanego typu

Korzystając ze wskaźnika typu void, za każdym razem musimy zrzutować go na typ, jako jaki chcemy traktować dany obszar pamięci. Wykorzystuje się to do pisania bardziej generycznego kodu.

NULL

NULL pointer to wskaźnik, który nie wskazuje na żaden obiekt w pamięci. Jest to specjalna stała, używana do inicjalizacji wskaźników jako niepoprawnych. Dobrą praktyką jest sprawdzenie przed użyciem, czy wskaźnik nie jest NULL.

if (p != NULL) {
    printf("%d\n", *p);
}

Użycie NULL pointera prowadzi do niezdefiniowanego zachowania, najczęściej do awarii programu.

Arytmetyka wskaźników

Wskaźniki w C nie służą tylko do przechowywania adresów. Można również wykonywać operacje arytmetyczne, zarówno na nich, jak i na adresach przez nie wskazywanych.

• Przesuwanie wskaźnika: Kompilator automatycznie przelicza przesunięcie w bajtach na podstawie rozmiaru typu wskaźnika. W przypadku tablic może to służyć iterowaniu po jej kolejnych elementach.

int *wskaznik1 = &zmienna;
wskaznik1++;

• Odejmowanie wskaźników: pozwala obliczyć odległość między dwoma elementami w obrębie tej samej tablicy.

int *wskaznik1 = &tab[0];
int *wskaznik2 = &tab[4];
int roznica = wskaznik2 - wskaznik1;

• Porównywanie wskaźników: pozwala sprawdzić kolejność elementów lub wykonać pętlę po tablicy.

int *wskaznik1 = tab;
while (wskaznik1 < tab + 5) {
    printf("%d ", *wskaznik1);
    wskaznik1++;  // przesuwamy wskaźnik po tablicy
}

Stałe wskaźniki i wskaźniki na stałe

Stały wskaźnik oznacza to że nie można zmienić adresu pamięci na który wskazuje. const musi być po *.

int * const wskaznik1 = &zmienna;

Wskaźnik może też wskazywać na stałą, w ten sposób blokujemy możliwość wykonywania operacji na niej. Ale dalej możemy zmieniać to na co wskazuje. Próba użycia zwykłego wskaźnika na stałą i jej modyfikacji prowadzi do niezdefiniowanego zachowania.

const int *wskaznik1;
int const *wskaznik2;

Można też połączyć oba wcześniejsze i mieć stały wskaźnik na stałą. Nie można zmieniać ani wartości, ani wskazywanego adresu.

const int * const wskaznik1 = &zmienna;

Wskaźniki na wskaźniki

Wskaźnik może przechowywać adres innego wskaźnika. Przydatne np. przy dynamicznej alokacji wielowymiarowych tablic.

int a = 5;
int *w1 = &a;
int **w2 = &w1;

printf("%d\n", **w2); // 5

Wykorzystanie wskaźników

Przekazywanie parametrów do funkcji

Przekazywanie parametrów do funkcji przez wskaźniki pozwala uniknąć kopiowania dużych struktur danych, co oszczędza czas i pamięć. Brak kopiowania powoduje, że operujemy na oryginalnych zmiennych.

void zwieksz(int *x) {
    (*x)++;
}

int main() {
    int a = 10;
    zwieksz(&a);
    printf("%d\n", a); // 11
    return 0;
}

Dynamiczna alokacja pamięci

Wskaźniki umożliwiają dynamiczne przydzielanie pamięci, przydaje się to na przykład przy tworzeniu tablic o zmiennym rozmiarze w czasie działania programu. Pamięć dynamiczna jest przydzielana na stercie i zarządzana za pomocą wskaźników. Możemy zaoszczędzić jej użycie alokując ją tylko wtedy gdy jest potrzebna. Do dynamicznej alokacji pamięci w C służą funkcje z biblioteki <stdlib.h>:

• malloc - Alokuje ciągły blok pamięci o podanym rozmiarze (w bajtach) ale jej nie inicjalizuje. Zwraca wskaźnik do przydzielonej pamięci.

int *tab = (int*) malloc(5 * sizeof(int));

• calloc - Alokuje pamięć dla tablicy elementów oraz inicjalizuje pamięć zerami.

void* calloc(size_t liczba_elementów, size_t rozmiar_elementu);

• realloc - Zmienia rozmiar wcześniej zaalokowanej pamięci.

void* realloc(void* ptr, size_t new_size);

• free - Zwalnia wcześniej zaalokowaną pamięć, po wywołaniu nie wolno używać wskaźnika. Brak zwalniania pamięci prowadzi do wycieków pamięci.

void free(void* ptr);

Iteracja po tablicach i strukturach danych

Wskaźniki pozwalają efektywnie iterować po tablicach, listach i innych strukturach danych. Nazwa tablicy w wielu kontekstach zachowuje się jak wskaźnik na jej pierwszy element. Przechodzenie przez tablicę za pomocą arytmetyki wskaźników jest często szybsze niż używanie indeksów [i].

int tab[5] = {1,2,3,4,5};
int *p = tab;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    printf("%d ", *(p + i));
}

Stringi w C to de facto wskaźniki na tablice znaków zakończone znakiem \0, więc można na nich robić takie operacje jak na innych tablicach.

Dostęp do rejestrów

W programowaniu systemowym oraz w systemach wbudowanych rejestry urządzeń peryferyjnych są mapowane w przestrzeni adresowej pamięci. Oznacza to, że dostęp do pamięci, poprzez wskaźnik, powoduje fizyczny odczyt lub zapis do rejestru sprzętowego. W języku C realizuje się to przez rzutowanie konkretnego adresu pamięci na wskaźnik odpowiedniego typu.

Podsumowanie

Wskaźniki w C pozwalają na bezpośredni dostęp do pamięci i efektywne operowanie na danych. Dzięki nim możemy przekazywać parametry do funkcji bez kopiowania dużych obiektów, tworzyć dynamiczne struktury danych, iterować po tablicach i strukturach danych, także tworzyć bardziej elastyczny i generyczny kod. Poprawne użycie wskaźników wymaga uwagi, ponieważ nieprawidłowe operacje mogą prowadzić do niezdefiniowanego zachowania i awarii programu.