В С++ есть 4 оператора, изменяющих естественный порядок выполнения вычислений.
Оператор безусловного перехода goto имеет формат:
goto метка;
В теле той же функции должна присутствовать ровно одна конструкция вида:
метка: оператор;
Данный оператор передает управление на помеченный оператор. Метка – это обычный идентификатор, областью видимости которого является функция, в теле которой он задан.
Использование этого оператора оправдано в двух случаях:
- принудительный выход вниз по тексту программы из нескольких вложенных циклов или переключателей;
- переход из нескольких мест функции в одно.
В остальных случаях применение данного оператора не рекомендуется, так как он нарушает принцип структурного и модульного программирования – каждый блок должен иметь один вход и один выход.
Оператор break используется внутри операторов цикла, условного оператора или переключателя для обеспечения перехода в точку программы, находящуюся непосредственно за оператором, внутри которого находится break.
Оператор перехода к следующей итерации цикла continue пропускает все операторы, оставшиеся до конца тела цикла, и передает управление на начало следующей итерации.
Оператор возврата из функции return завершает выполнение функции и передает управление в точку ее вызова. Вид оператора:
return [выражение];
Выражение должно иметь скалярный тип. Если тип возвращаемого функцией значения описан как void, выражение должно отсутствовать.
Указатели и массивы.
Когда компилятор обрабатывает оператор определения переменной, он выделяет память в соответствии с типом и инициализирует ее указанным значением. Все обращения в программе к переменной по ее имени заменяются компилятором на адрес области памяти, в которой хранится значение переменной. Программист может определить собственные переменные для хранения адресов областей памяти. такие переменные называются указателями.
Итак, указатели предназначены для хранения адресов областей памяти. В С++ различают три вида указателей – указатели на объект, на функцию и на void, отличающиеся свойства и набором допустимых операций. Указатель не является самостоятельным типом, он всегда связан с каким-либо другим конкретным типом.
Указатель на функцию содержит адрес в сегменте кода, по которому располагается исполняемый код функции, то есть адрес, по которому передается управление при вызове функции. Они используются для косвенного вызова функции, а также для передачи имени функции в другую функцию в качестве параметра. Указатель функции иметт тип «указатель функции, возвращающей значение заданного типа и имеющей аргументы заданного типа»:
тип (*имя) (список_типов_аргументов);
Пример. int (*fun) (double, double); задает указатель с именем fun на функцию, возвращающую значение типа int и имеющую два аргумента типа double.
Указатель на объект содержит адрес области памяти, в которой хранятся данные определенного типа (основного или составного). Простейшее объявление указателя на объект имеет вид:
тип *имя;
где тип может быть любым, кроме ссылки и битового поля, причем тип может быть к этому моменту только объявлен, но еще не определен.
Звездочка относится непосредственно к имени, поэтому для того, чтобы объявить несколько указателей, требуется ставить ее перед именем каждого из них.
Пример. В операторе int *a, b, *с; описываются два указателя на целое с именами а и с, а также целая переменная b.
Размер указателя зависит от модели памяти. Можно определить указатель на указатель и т.д.
Указатель на void применяется в тех случаях, когда конкретный тип объекта, адрес которого требуется хранить, не определен (например, если в одной и той же переменной в разные моменты времени требуется хранить адреса объектов различных типов).
Указателю на void можно присвоить значение указателя любого типа, а также сравнивать его с любыми указателями, но перед выполнением каких-либо действий с областью памяти, на которую он ссылается, требуется преобразовать его к конкретному типу явным образом.
Указатель может быть константой или переменной, а также указывать на константу или переменную. Рассмотрим примеры:
int i; // целая переменная
const int ci = 1; // целая константа
int * pi; // указатель на целую переменную
const int * pci; // указатель на целую константу
int * const ср = &i; // указатель-константа на целую переменную
const int * const срс = &ci; // указатель-константа на целую константу
Как видно из примеров, модификатор const, находящийся между именем указателя и звездочкой, относится к самому указателю и запрещает его изменение, а const слева от звездочки задает постоянство значения, на которое он указывает. Для инициализации указателей использована операция получения адреса &.
Величины типа указатель подчиняются общим правилам определения области действия, видимости и времени жизни.
Указатели чаще всего используют при работе с динамической памятью (кучей). Это свободная память, в которой можно во время выполнения программы выделять место в соответствии с потребностями. Доступ к выделенным участкам динамической памяти, называемым динамическими переменными, производится только через указатели. Время жизни динамических переменных – от точки создания до конца программы или до явного освобождения памяти. В C++ используется два способа работы с динамической памятью. Первый использует семейство функций malloc, второй использует операции new и delete.
При определении указателя надо стремиться выполнить его инициализацию, то есть присвоение начального значения. Непреднамеренное использование неинициализированных указателей – распространенный источник ошибок в программах. Инициализатор записывается после имени указателя либо в круглых скобках, либо после знака равенства.
Существуют следующие способы инициализации указателя:
1. Присваивание указателю адреса существующего объекта:
- с помощью операции получения адреса:
int а = 5; // целая переменная
int* р = &а; //в указатель записывается адрес а
int* р (&а); // то же самое другим способом
- с помощью значения другого инициализированного указателя:
int* г = р;
- с помощью имени массива или функции, которые трактуются как адрес:
int b[10]; // массив
int * t = b; // присваивание адреса начала массива
void f (int а){/*... * /} // определение функции
void (*pf) (int); // указатель на функцию
pf = f; // присваивание адреса функции
2. Присваивание указателю адреса области памяти в явном виде:
char* vp = (char *)0хВ8000000;
Здесь ОхВ8000000 – шестнадцатеричная константа, (char *) – операция приведения типа: константа преобразуется к типу «указатель на char».
3. Присваивание пустого значения:
int* suxx = NULL;
int* rulez = 0;
В первой строке используется константа NULL, определенная в некоторых заголовочных файлах С как указатель, равный нулю. Рекомендуется использовать просто 0, так как это значение типа int будет правильно преобразовано стандартными способами в соответствии с контекстом. Поскольку гарантируется, что объектов с нулевым адресом нет, пустой указатель можно использовать для проверки, ссылается указатель на конкретный объект или нет.
4. Выделение участка динамической памяти и присваивание ее адреса указателю:
- с помощью операции new:
int* n = new int; //1
int* m = new int (10); // 2
int* q = new int [10]; // 3
- с помощью функции malloc:
int* u = (int *)malloc(sizeof(int)); // 4
В операторе 1 операция new выполняет выделение достаточного для размещения величины типа int участка динамической памяти и записывает адрес начала этого участка в переменную n. Память под саму переменную n (размера, достаточного для размещения указателя) выделяется на этапе компиляции.
В операторе 2, кроме описанных выше действий, производится инициализация выделенной динамической памяти значением 10.
В операторе 3 операция new выполняет выделение памяти под 10 величин типа int (массива из 10 элементов) и записывает адрес начала этого участка в переменную q, которая может трактоваться как имя массива. Через имя можно обращаться к любому элементу массива.
Если память выделить не удалось, по стандарту должно порождаться исключение bad_alloc. Старые версии компиляторов могут возвращать 0.
В операторе 4 делается то же самое, что и в операторе 1, но с помощью функции выделения памяти malloc. В функцию передается один параметр – количество выделяемой памяти в байтах. Конструкция (int*) используется для приведения типа указателя, возвращаемого функцией, к требуемому типу. Если память выделить не удалось, функция возвращает 0.
Операцию new использовать предпочтительнее, чем функцию malloc, особенно при работе с объектами.
Освобождение памяти, выделенной с помощью операции new, должно выполняться с помощью delete, а памяти, выделенной функцией malloc – посредством функции free. При этом переменная-указатель сохраняется и может инициализироваться повторно. Приведенные выше динамические переменные уничтожаются следующим образом:
delete n; delete m; delete [ ] q; free (u);
Если память выделялась с помощью new[], для освобождения памяти необходимо применять delete[]. Размерность массива при этом не указывается. Если квадратных скобок нет, то никакого сообщения об ошибке не выдается, но помечен как свободный будет только первый элемент массива, а остальные окажутся недоступны для дальнейших операций. Такие ячейки памяти называются мусором.
Если переменная-указатель выходит из области своего действия, отведенная под нее память освобождается. Следовательно, динамическая переменная, на которую ссылался указатель, становится недоступной. При этом память из-под самой динамической переменной не освобождается. Другой случай появления «мусора» – когда инициализированному указателю присваивается значение другого указателя. При этом старое значение теряется.
С помощью комбинаций звездочек, круглых и квадратных скобок можно описывать составные типы и указатели на составные типы, например, в операторе int *(*р[10])(); объявляется массив из 10 указателей на функции без параметров, возвращающих указатели на int.
По умолчанию квадратные и круглые скобки имеют одинаковый приоритет, больший, чем звездочка, и рассматриваются слева направо. Для изменения порядка рассмотрения используются круглые скобки.
При интерпретации сложных описаний необходимо придерживаться правила «изнутри наружу»:
1) если справа от имени имеются квадратные скобки, это массив, если скобки круглые – это функция;
2) если слева есть звездочка, это указатель на проинтерпретированную ранее конструкцию;
3) если справа встречается закрывающая круглая скобка, необходимо применить приведенные выше правила внутри скобок, а затем переходить наружу;
4) в последнюю очередь интерпретируется спецификатор типа.
Для приведенного выше описания порядок интерпретации указан цифрами:
int *(*р[10])():
5 4 2 1 3 // порядок интерпретации описания
С указателями можно выполнять следующие операции: разадресация, или косвенное обращение к объекту (*), присваивание, сложение с константой, вычитание, инкремент (++), декремент (--), сравнение, приведение типов. При работе с указателями часто используется операция получения адреса (&).
Операция разадресации, или разыменования, предназначена для доступа к величине, адрес которой хранится в указателе. Эту операцию можно использовать как для получения, так и для изменения значения величины (если она не объявлена как константа):
char а; // переменная типа char
char * р = new char; /* выделение памяти под указатель и под динамическую переменную типа char */
*р = 'Ю'; а = *р; // присваивание значения обеим переменным
Конструкцию *имя_указателя можно использовать в левой части оператора присваивания, так как она является L-значением, то есть определяет адрес области памяти. Для простоты эту конструкцию можно считать именем переменной, на которую ссылается указатель. С ней допустимы все действия, определенные для величин соответствующего типа (если указатель инициализирован). На одну и ту же область памяти может ссылаться несколько указателей различного типа. Примененная к ним операция разадресации даст разные результаты. Например, программа
#include <stdio.h>
int main(){
unsigned long int A = 0Xcc77ffaa;
unsigned short int* pint = (unsigned short int*) &A;
unsigned char* pchar = (unsigned char *) &A;
printf ("| %x | %x | %x |", A, *pint, *pchar);
return 0;
}
на IBM РС-совместимом компьютере выведет на экран строку:
| cc77ffaa | ffaa | аа |
Значения указателей pint и pchar одинаковы, но разадресация pchar дает в результате один младший байт по этому адресу, а pint – два младших байта.
В приведенном выше примере при инициализации указателей были использованы операции приведения типов. Синтаксис операции явного приведения типа прост: перед именем переменной в скобках указывается тип, к которому ее требуется преобразовать. При этом не гарантируется сохранение информации, поэтому в общем случае явных преобразований типа следует избегать.
При смешивании в выражении указателей разных типов явное преобразование типов требуется для всех указателей, кроме void*. Указатель может неявно преобразовываться в значение тина bool (например, в выражении условного оператора), при этом ненулевой указатель преобразуется в true, а нулевой в false.
Присваивание без явного приведения типов допускается в двух случаях:
- указателям типа void*;
- если тип указателей справа и слева от операции присваивания один и тот же.
Таким образом, неявное преобразование выполняется только к типу void*. Значение 0 неявно преобразуется к указателю на любой тип. Присваивание указателей на объекты указателям на функции (и наоборот) недопустимо. Запрещено и присваивать значения указателям-константам, впрочем, как и константам любого типа (присваивать значения указателям на константу и переменным, на которые ссылается указатель-константа, допускается).
Арифметические операции с указателями (сложение с константой, вычитание, инкремент и декремент) автоматически учитывают размер типа величин, адресуемых указателями. Эти операции применимы только к указателям одного типа и имеют смысл в основном при работе со структурами данных, последовательно размещенными в памяти, например, с массивами.
Инкремент перемещает указатель к следующему элементу массива, декремент – к предыдущему. Фактически значение указателя изменяется на величину sizeof (тип). Если указатель на определенный тип увеличивается или уменьшается на константу, его значение изменяется на величину этой константы, умноженную на размер объекта данного типа.
Разность двух указателей – это разность их значений, деленная на размер типа в байтах (в применении к массивам разность указателей, например, на третий и шестой элементы равна 3). Суммирование двух указателей не допускается.
При записи выражений с указателями следует обращать внимание на приоритеты операций.
Унарная операция получения адреса & применима к величинам, имеющим имя и размещенным в оперативной памяти. Таким образом, нельзя получить адрес скалярного выражения, неименованной константы или регистровой переменной.
Ссылки
Ссылка представляет собой синоним имени, указанного при инициализации ссылки. Ссылку можно рассматривать как указатель, который всегда разыменовывается.
Формат объявления ссылки:
тип & имя;
где тип – это тип величины, на которую указывает ссылка, & – оператор ссылки, означающий, что следующее за ним имя является именем переменной ссылочного типа.
Переменная-ссылка должна явно инициализироваться при ее описании, кроме случаев, когда она является параметром функции, описана как extern или ссылается на поле данных класса. После инициализации ссылке не может быть присвоена другая переменная. Тип ссылки должен совпадать с типом величины, на которую она ссылается. Не разрешается определять указатели на ссылки, создавать массивы ссылок и ссылки на ссылки.
Ссылки применяются чаще всего в качестве параметров функций и типов возвращаемых функциями значений. Ссылки позволяют использовать в функциях переменные, передаваемые по адресу, без операции разадресации, что улучшает читаемость программы. Ссылка, в отличие от указателя, не занимает дополнительного пространства в памяти и является просто другим именем величины. Операция над ссылкой приводит к изменению величины, на которую она ссылается.
Массивы
При использовании простых переменных каждой области памяти для хранения данных соответствует свое имя. Если с группой величин одинакового типа требуется выполнять однообразные действия, им дают одно имя, а различают по порядковому номеру. Это позволяет компактно записывать множество операций с помощью циклов. Конечная именованная последовательность однотипных величин называется массивом. Описание массива в программе отличается от описания простой переменной наличием после имени квадратных скобок, в которых задается количество элементов массива (размерность).
Элементы массива нумеруются с нуля. При описании массива используются те же модификаторы (класс памяти, const и инициализатор), что и для простых переменных. Инициализирующие значения для массивов записываются в фигурных скобках. Значения элементам присваиваются по порядку. Если элементов в массиве больше, чем инициализаторов, элементы, для которых значения не указаны, обнуляются:
int b[5] = {3. 2. 1}; / / b[0]=3. b[l]=2. b[2]=l. b[3]=0. b[4]=0
Размерность массива вместе с типом его элементов определяет объем памяти, необходимый для размещения массива, которое выполняется на этапе компиляции, поэтому размерность может быть задана только целой положительной константой или константным выражением. Если при описании массива не указана размерность, должен присутствовать инициализатор, в этом случае компилятор выделит память по количеству инициализирующих значений. Для доступа к элементу массива после его имени указывается номер элемента (индекс) в квадратных скобках.
Размерность массивов предпочтительнее задавать с помощью именованных констант, так как при таком подходе для ее изменения достаточно скорректировать значение константы всего лишь в одном месте программы. Последний элемент массива имеет номер, на единицу меньший заданной при его описании размерности.
Динамические массивы создают с помощью операции new, при этом необходимо указать тип и размерность.
Пример.
int n = 100;
float *р = new float [n];
В этой строке создается переменная-указатель на float, в динамической памяти отводится непрерывная область, достаточная для размещения 100 элементов вещественного типа, и адрес ее начала записывается в указатель р. Динамические массивы нельзя при создании инициализировать, и они не обнуляются.
Преимущество динамических массивов состоит в том, что размерность может быть переменной, то есть объем памяти, выделяемой под массив, определяется на этапе выполнения программы. Доступ к элементам динамического массива осуществляется точно так же, как к статическим.
Альтернативный способ создания динамического массива – использование функции mallос библиотеки С:
int n = 100;
float *q = (float *) malloc(n * sizeof(float));
Операция преобразования типа, записанная перед обращением к функции mal1ос, требуется потому, что функция возвращает значение указателя типа void*, а инициализируется указатель на float.
Память, зарезервированная под динамический массив с помощью new [], должна освобождаться оператором delete [], а память, выделенная функцией mallос – посредством функции free.
При несоответствии способов выделения и освобождения памяти результат не определен. Размерность массива в операции delete не указывается, но квадратные скобки обязательны.
Многомерные массивы задаются указанием каждого измерения в квадратных скобках. В памяти такой массив располагается в последовательных ячейках построчно. Многомерные массивы размещаются так, что при переходе к следующему элементу быстрее всего изменяется последний индекс. Для доступа к элементу многомерного массива указываются все его индексы, например, matr[i][j], или более экзотическим способом: *(matr[i]+j) или *(*(matr+i)+j). Это возможно, поскольку matr[i] является адресом начала i-й строки массива.
При инициализации многомерного массива он представляется либо как массив из массивов, при этом каждый массив заключается в свои фигурные скобки (в этом случае левую размерность при описании можно не указывать), либо задается общий список элементов в том порядке, в котором элементы располагаются в памяти:
int mass2 [][] = { {1, 1}, {0, 2}, {1, 0} };
int mass2 [3][2] = {1, 1, 0, 2, 1, 0};
Для создания динамического многомерного массива необходимо указать в операции new все его размерности (самая левая размерность может быть переменной), например:
int nstr = 5;
int ** m = (int **) new int [nstr][10];
Освобождение памяти из-под массива с любым количеством измерений выполняется с помощью операции delete [ ]. Указатель на константу удалить нельзя.
Для правильной интерпретации объявлений полезно запомнить мнемоническое правило: «суффикс привязан крепче префикса». Если при описании переменной используются одновременно префикс * (указатель) и суффикс [] (массив), то переменная интерпретируется как массив указателей, а не указатель на массив: int *р[10]; – массив из 10 указателей на int.
Строки
Строка представляет собой массив символов, заканчивающийся нуль-символом. Нуль-символ – это символ с кодом, равным 0, что записывается в виде управляющей последовательности ‘\0’. По положению нуль-символа определяется фактическая длина строки. Строку можно инициализировать строковым литералом.
Операция присваивания одной строки другой не определена (так как строка является массивом) и может выполняться с помощью цикла или функций стандартной библиотеки. Библиотека предоставляет возможности копирования, сравнения, объединения строк, поиска подстроки, определения длины строки и т. д., а также содержит специальные функции ввода строк и отдельных символов с клавиатуры и из файла.
При работе со строками часто используются указатели.