Элементы ЯПВУ. УКАЗАТЕЛИ. УКАЗАТЕЛЬ – это переменная, значением которой является адрес какого-то объекта в памяти компьютера (обычно, другой переменной). С помощью указателей например можно: обрабатывать многомерные и одномерные массивы, строки, символы, структуры и массивы структур, в том числе, большого размера, динамически создавать новые переменные и структуры в процессе выполнения программы, обрабатывать связанные структуры: стеки, очереди, списки, деревья, сети, передавать функциям адреса фактических параметров, передавать функциям адреса функций в качестве параметров. Для каждой описанной в программе переменной выделяется область памяти, когда мы объявляем в программе, например, float der, то выделяется постоянная (статическая) область памяти, которая будет занята этой переменной до конца работы программы. Указатели, в частности, позволяют организовать динамическое выделение и освобождение памяти для переменных в процессе выполнения программы. Но указатели используют и для работы с переменными в статической памяти. Разберемся с организацией памяти в ПЭВМ и в программах на Pascal и С. 1 ВМП

Адресация и распределение памяти для программ Для IBM совместимых ПЭВМ Оперативная память (ОП) ПЭВМ состоит из ячеек размером в 1 байт, каждая ячейка имеет собственный уникальный номер – адрес. Память разделяется на сегменты размером 2 16 = байт или 64 Кб, что определяется архитектурой микропроцессоров 80 х 86 (16-разрядных). [32-х и 64-х-разрядная адресация поддерживается в операционных системах Windows и UNIX / Linux.] Адрес каждого байта ОП формируется из двух слов (каждое размером по 16 бит – по 2 байта) – адреса сегмента и смещения (смещение указывает на сколько байт от начала сегмента сдвинут адрес конкретного байта). Адрес байта формируется следующим образом: адрес сегмента смещается на 4-е двоичных разряда (бита) влево и к нему прибавляется смещение, таком образом физический адрес байта составляет 20 бит и с его помощью можно адресовать 2 20 байт (1 Мбайт): Сегмент + Смещение = Адрес 16+4 бит 16 бит 20 бит Адрес сегмента Смещение Физический адрес 0000 Указатель занимает в памяти 4 байта (32 бита) и адресует первый байт данных, например, первый байт первого элемента массива. 2 Указатель занимает в памяти 4 байта (32 бита) хотя собственная длина указателя – 20 бит и он помещается в 3 байта, НО обычно память выделяется словами по 2 байта (16 бит) и выравнивается на границу слова – т.е под указатель выделяется 2 слова (а не 1,5). ВМП

Адресация и распределение памяти для программ C / С++Pascal Для IBM совместимых ПЭВМ и MS DOS Для кода программы, данных и переменных, тип которых описан в программе, компилятор выделяет фиксированную память, не изменяющуюся в процессе выполнения программы – статическую память. Если невозможно заранее определить объем данных, то надо перейти к использованию динамической памяти. Её выделение под данные и освобождение осуществляется программистом. Расположение динамической памяти (heap, кучи) в компьютере показано на схемах ниже. Обращение к динамическим переменным осуществляется через указатели. Распределение оперативной памяти ПЭВМ для программ на Pascal и С. Старшие адреса Системная область Область динамической памяти (heap, куча) Стек Данные к од Младшие адреса Системная область Область программы Старшие адреса Системная область Область стека Область динамической памяти (heap, куча) Область глобальных переменных Область программы Младшие адреса Системная область 3 ВМП

Экспериментальное исследование методов распределения памяти Карта оперативной памяти программ на Borland Pascal Верхняя граница памяти DOS Свободная память Куча (растет вверх) Оверлейный буфер Стек (растет вниз) Свободный стек Глобальные переменные Типизированные константы Кодовый сегмент модуля System Кодовый сегмент первого модуля Кодовый сегмент последнего модуля Кодовый сегмент главной программы Префикс сегмента программы (PSP ) Нижняя граница памяти DOS Кодовые сегменты других модулей PrefixSeg OvrHeapOrg DSeg:0000 OvrHespEnd SSeg:0000 SSeg:SPtr HeapOrg HeapPtr HeapEnd CSeg:0000 Содержит образ EXE- файла 4 ВМП

Экспериментальное исследование методов распределения памяти Замечания к карте оперативной памяти для программ на Pascal Префикс сегмента программы (Program Segment Prefix - PSP) -это 256-ти байтовая область, создаваемая DOS при загрузке программы. Адрес сегмента PSP хранится в переменной PrefixSeg. Главная программа, и каждый модуль имеют свой кодовый сегмент. Главная программа занимает первый кодовый сегмент; кодовые сегменты, которые следуют за ним, занимают модули (в порядке, обратном тому, как они следовали в операторе uses), и последний кодовый сегмент занимает библиотека времени выполнения (модуль System). Размер одного кодового сегмента не может превышать 64К, но общий размер кода ограничен только имеющейся памятью. Сегмент данных (адресуемый через DSeg) содержит все глобальные переменные и затем все типизованные константы. Регистр DS никогда не изменяется во время выполнения программы. Размер сегмента данных не может превышать 64К. При запуске программы регистр сегмента стека (SSeg) и указатель стека (SP) устанавливаются так, что SS:SP указывает на первый байт после сегмента стека. Регистр SS никогда не изменяется во время выполнения программы, а SP может передвигаться вниз пока не достигнет конца сегмента. Размер стекового сегмента не может превышать 64К; размер по умолчанию - 16К, он может быть изменен директивой компилятора $M. Буфер оверлеев используется стандартным модулем Overlay для хранения оверлейного кода. Размер оверлейного буфера по умолчанию соответствует размеру наибольшего оверлея в программе; если в программе нет оверлеев, размер буфера оверлеев равен 0. Размер буфера оверлеев может быть увеличен с помощью вызова программы OvrSetBuf модуля Overlay; в этом случае размер кучи соответственно уменьшается, смещением вверх HeapOrg. 5 ВМП

Элементы ЯПВУ. УКАЗАТЕЛИ. C / С++Pascal УКАЗАТЕЛЬ – это переменная, значением которой является адрес какого-то объекта в памяти компьютера (обычно, другой переменной). ^ В Pascal есть два вида указателей – типизированные – объявляются с использованием символа ^ – Type = ^ ; Type pchar = ^char; Var pc : pchar; Можно объявить указатель прямо при описании переменной – Var p1 : ^integer; p2 : ^real; [В Pascal указатели, как исключение, могут ссылаться на еще не объявленный тип данных], и нетипизированные – объявляются с использованием стандартного типа данных POINTER – Var : Pointer; Var p : pointer; (их удобно использовать для данных, структура и тип которых изменяется в ходе работы программы). Указатель в С не является отдельным типом данных, он всегда связан с каким-либо конкретным типом. В С / С++ различают три вида указателей: на объект, на функцию и на void. Объявление указателя на объект: * ; Например: int *a; *c; Объявление указателя на void – применяется когда конкретный тип объекта, адрес которого требуется хранить, не определен : Например: extern void *malloc(int); Объявление указателя на функцию: (* ) ( ); Например: int (*fun) (double, double); Примеры: int *pi; // Указатель на целую переменную const int *pci; // Указатель на целую константу int * const cp=&i; // Указатель-константа на переменную const int *const cpc=&ci; // Указатель-константа на целую константу Указатель в Pascal – переменная ссылочного типа. 6 ВМП

Элементы ЯПВУ. УКАЗАТЕЛИ. C / С++Pascal Операции с указателями Разадресация (разыменование) – ^ ^ – это обращение к значению переменной, адрес которой хранится в указателе. Указатели стандартного типа (pointer) разыменовывать нельзя. Присваивание – := Ссылочное выражение – обязательно того же типа, что и указатель, это: - указатель (ссылочная переменная), - пустая ссылка nil – нет конкретного объекта, - ссылочная функция (результат – ссылка, указатель). Например:Var p1, p2:^real; p3:^integer; pp : pointer; Тогда – p1:=p2; p2:=pp; - допустимо, а p2:=p3; - запрещено. Сравнение – = [или <>] – сравнивать можно на равенство или неравенство. Получение адреса – & – значение адреса операнда в памяти. Например: n = &p1; Разыменование (раз адресация, раскрытие ссылки) – * – значение объекта, адрес которого. Например: z = *n; Присваивание – = - если оба операнда имеют один тип – простое присваивание, иначе – присваивание с преобразованием типа указателя – это: Приведение типов – два вида – с указателем типа void* и без его использования. void* в С разрешает неявное преобразование ( в С++ – только явное, даже для void* ). Преобразования всех остальных типов указателей должны быть явными, т.е. должна быть указана операция приведения типов. Например: если x – имеет тип int, а *p – double, то надо записывать p = (double *) &x. Но использовать приведение надо осторожно и обязательно к базовому типу указателя, а не объекта. Операции с указателями 7 ВМП

Элементы ЯПВУ. УКАЗАТЕЛИ. C / С++Pascal Операции с указателями Арифметические операции (адрес- ная арифметика) – суммирование и вычитание – учитывают размер типа величины и применимы только к указателем одного типа: сложение (вычитание) с константой – p1 = p1 + 12; p2 = p2 – 5; увеличение (инкремент) – p1++; – при увеличении на 1 указатель p1 будет смещаться на величину типа данных и указывать на следующее значение Например, в типе int* – смещение на 2 байта – p1=200, p1++ = 202, p1-- = 198. уменьшение (декремент) – p1--; – аналогично инкременту. вычитание двух указателей – разность двух указателей – это разность их значений, деленная на размер типа в байтах. Так можно определять к-во объектов между адресами указателей. Например: в массиве разность указателей на 3-й и 6-й элементы равна 3. Сравнение - допустимы любые операции сравнения, обычно, они имеют смысл, когда ссылки на общий объект. Адрес переменной – возвращает адрес переменной W. Некоторые стандартные функции для работы с указателями: addr (х) : pointer - seg (x) : word – адрес сегмента для x, ofs (x) : word – смещение для x, cseg : word – значение регистра сегмента кода программы – CS, dseg : word – значение регистра сегмента данных программы – DS, ptr (seg, ofs : word) : pointer – по заданному сегменту и смещению формирует адрес типа pointer. 8 ВМП

Элементы ЯПВУ. УКАЗАТЕЛИ. C / С++Pascal ПРИМЕР #include void main () { int *a, b; *a=100; b=200' cout<<"\na="<<a<<", *a="*a<<", b="<<b; } Результат: a=0x034c, *a=100, b=200 Program Pointer; Var pa : ^word; b: integer; Begin pa^ := 100; b := 200; pa WriteLn('pa^=',pa^,', b=',b,'); End. Результат: pa=200, pa^=100, b=200 Вывод на печать адреса (значения указателя) в Pascal не поддерживается. В языке С/C++ с указателями допустимы практически все операции. 9 ВМП