1. Нулевые указатели
1.1: Расскажите все-таки о пресловутых нулевых указателях.
О: Для каждого типа указателей существует (согласно определению языка)
особое значение - "нулевой указатель", которое отлично от всех других
значений и не указывает на какой-либо объект или функцию. Таким
образом, ни оператор &, ни успешный вызов malloc() никогда не
приведут к появлению нулевого указателя. (malloc возвращает нулевой
указатель, когда память выделить не удается, и это типичный пример
использования нулевых указателей как особых величин, имеющих
несколько иной смысл "память не выделена" или "теперь ни на что не
указываю". )
Нулевой указатель принципиально отличается от неинициализированного
указателя. Известно, что нулевой указатель не ссылается ни на какой
объект; неинициализированный указатель может ссылаться на что угодно.
См. также вопросы 3.1, 3.13, и 17.1.
В приведенном выше определении уже упоминалось, что существует
нулевой указатель для каждого типа указателя, и внутренние значения
нулевых указателей разных типов могут отличаться. Хотя программистам
не обязательно знать внутренние значения, компилятору всегда
необходима информация о типе указателя, чтобы различить нулевые
указатели, когда это нужно (см. ниже).
Смотри: K&R I Разд. 5.4 c. 97-8; K&R II Разд. 5.4 c. 102; H&S
Разд. 5.3 c. 91; ANSI Разд. 3.2.2.3 c. 38.
1.2: Как "получить" нулевой указатель в программе?
О: В языке С константа 0, когда она распознается как указатель,
преобразуется компилятором в нулевой указатель. То есть, если во
время инициализации, присваивания или сравнения с одной стороны
стоит переменная или выражение, имеющее тип указателя, компилятор
решает, что константа 0 с другой стороны должна превратиться в
нулевой указатель и генерирует нулевой указатель нужного типа.
Следовательно, следующий фрагмент абсолютно корректен:
char *p = 0;
if(p != 0)
Однако, аргумент, передаваемый функции, не обязательно будет
распознан как значение указателя, и компилятор может оказаться не
способным распознать голый 0 как нулевой указатель. Например,
системный вызов UNIX "execl" использует в качестве параметров
переменное количество указателей на аргументы, завершаемое нулевым
указателем. Чтобы получить нулевой указатель при вызове функции,
обычно необходимо явное приведение типов, чтобы 0 воспринимался как
нулевой указатель.
execl("/bin/sh", "sh", "-c", "ls", (char *)0);
Если не делать преобразования (char *), компилятор не поймет,
что необходимо передать нулевой указатель и вместо этого передаст
число 0. (Заметьте, что многие руководства по UNIX неправильно
объясняют этот пример.)
Когда прототипы функций находятся в области видимости, передача
аргументов идет в соответствии с прототипом и большинство приведений
типов может быть опущено, так как прототип указывает компилятору, что
необходим указатель определенного типа, давая возможность правильно
преобразовать нули в указатели. Прототипы функций не могут, однако,
обеспечить правильное преобразование типов в случае, когда функция
имеет список аргументов переменной длины, так что для таких
аргументов необходимы явные преобразования типов. Всегда безопаснее
явные преобразования в нулевой указатель, чтобы не наткнуться на
функцию с переменным числом аргументов или на функцию без прототипа,
чтобы временно использовать не-ANSI компиляторы, чтобы
продемонстрировать, что Вы знаете, что делаете. (Кстати, самое
простое правило для запоминания.)
Итог:
Можно использовать 0 Необходимо преобразование
инициализация вызов функции, прототип которой
вне области видимости
присваивание переменное число аргументов
при вызове функции
сравнение
вызов функции, прототип
в области видимости,
количество аргументов
фиксировано
Смотри: K&R I Разд. A7.7 c. 190, Разд. A7.14 c. 192; K&R II
Разд. A7.10 c. 207, Разд. A7.17 c. 209; H&S Разд. 4.6.3 c. 72; ANSI
Разд. 3.2.2.3 .
1.3 Что такое NULL и как он определен с помощью #define?
O: Многим программистам не нравятся нули, беспорядочно разбросанные по
программам. По этой причине макрос препроцессора NULL определен в
<stdio.h> или <stddef.h> как значение 0 (или (void *) 0, об этом
значении поговорим позже.) Программист, который хочет явно различать
0 как целое и 0 как нулевой указатель может использовать NULL в тех
местах, где необходим нулевой указатель. Это только стилистическое
соглашение; препроцессор преобразует NULL опять в 0, который затем
распознается компилятором в соответствующем контексте как нулевой
указатель. В отдельных случаях при передаче параметров функции,
может все же потребоваться явное указание типа перед NULL (как и
перед 0). (Таблица в вопросе 1.2 приложима как к NULL, так и к 0).
NULL нужно использовать _только_ для указателей; см. вопрос 1.8.
Смотри: K&R I Разд. 5.4 c. 97-8; K&R II Разд. 5.4 c. 102; H&S
Разд. 13.1 c. 283; ANSI Разд. 4.1.5 c. 99, Разд. 3.2.2.3 c. 38,
Rationale Разд. 4.1.5 c. 74.
1.4: Как #define должен определять NULL на машинах, использующих
ненулевой двоичный код для внутреннего представления нулевого
указателя?
О: Программистам нет необходимости знать внутреннее представление(я)
нулевых указателей, ведь об этом обычно заботится компилятор.
Если машина использует ненулевой код для представления нулевых
указателей, на совести компилятора генерировать этот код, когда
программист обозначает нулевой указатель как "0" или NULL.
Следовательно, определение NULL как 0 на машине, для которой нулевые
указатели представляются ненулевыми значениями так же правомерно как
и на любой другой, так как компилятор должен (и может) генерировать
корректные значения нулевых указателей в ответ на 0, встретившийся в
соответствующем контексте
1.5 Пусть NULL был определен следующим образом:
#define NULL ((char *)0).
Ознает ли это, что функциям можно передавать NULL без преобразования
типа?
О: В общем, нет. Проблема в том, что существуют компьютеры, которые
используют различные внутренние представления для указателей на
различные типы данных. Предложенное определение через #define
годится, когда функция ожидает в качестве передаваемого параметра
указатель на char, но могут возникнуть проблемы при передаче
указателей на переменные других типов, а верная конструкция
FILE *fp = NULL;
может не сработать.
Тем не менее, ANSI C допускает другое определение для NULL:
#define NULL ((void *)0)
Кроме помощи в работе некорректным программам (но только в случае
машин, где указатели на разные типы имеют одинаковые размеры, так
что помощь здесь сомнительна) это определение может выявить
программы, которые неверно используют NULL (например, когда был
необходим символ ASCII NUL; см. вопрос 1.8).
Смотри: ANSI Rationale Разд. 4.1.5 c. 74.
1.6: Я использую макрос
#define Nullptr(type) (type *)0 ,
который помогает задавать тип нулевого указателя.
О: Хотя этот трюк и популярен в определенных кругах, он стоит немного.
Он не нужен при сравнении и присваивании; см. вопрос 1.2. Он даже
не экономит буквы. Его использование показывает тому, кто читает
программу, что автор здорово "сечет" в нулевых указателях, и требует
гораздо более аккуратной проверки определения макроса, его
использования и _всех_ остальных случаев применения указателей.
См. также вопрос 8.1.
1.7: Корректно ли использовать сокращенный условный оператор if(p) для
проверки того, что указатель ненулевой? А что если внутреннее
представление для нулевых указателей отлично от нуля?
О: Когда С требует логическое значение выражения (в инструкциях if,
while, for, и do и для операторов &&, //, !, и ?:) значение false
получается, когда выражение равно нулю, а значение true получается в
противоположном случае. Таким образом, если написано
if(expr)
где "expr" - произвольное выражение, компилятор на самом деле
поступает так, как будто было написано
if(expr != 0)
Подставляя тривиальное выражение, содержащее указатель "p" вместо
"expr", получим
if(p) эквивалентно if(p != 0)
и это случай, когда происходит сравнение, так что компилятор поймет,
что неявный ноль - это нулевой указатель и будет использовать
правильное значение. Здесь нет никакого подвоха, компиляторы работают
именно так и генерируют в обоих случаях идентичный код. Внутреннее
представление указателя _не_ имеет значения.
Оператор логического отрицания ! может быть описан так:
!expr на самом деле эквивалентно expr?0:1
Читателю предлагается в качестве упражнения показать, что
if(!p) эквивалентно if(p == 0)
Хотя "сокращения" типа if(p) совершенно корректны, кое-кто считает
их использование дурным стилем.
См. также вопрос 8.2.
Смотри: K&R II Разд. A7.4.7 c. 204; H&S Разд. 5.3 c. 91; ANSI
Разд. 3.3.3.3, 3.3.9, 3.3.13, 3.3.14, 3.3.15, 3.6.4.1, и
3.6.5 .
1.8: Если "NULL" и "0" эквивалентны, то какую форму из двух использовать?
О: Многие программисты верят, что "NULL" должен использоваться во всех
выражениях, содержащих указатели как напоминание о том, что значение
должно рассматриваться как указатель. Другие же чувствуют, что
путаница, окружающая "NULL" и "0", только усугубляется, если "0"
спрятать в операторе #define и предпочитают использовать "0" вместо
"NULL". Единственного ответа не существует. Программисты на С должны
понимать, что "NULL" и "0" взаимозаменяемы и что "0" без
преобразования типа можно без сомнения использовать при
инициализации, присваивании и сравнении. Любое использование "NULL"
(в противоположность "0" ) должно рассматриваться как ненавязчивое
напоминание, что используется указатель; программистам не нужно
ничего делать (как для своего собственного понимания, так и для
компилятора) для того, чтобы отличать нулевые указатели от целого
числа 0. NULL _нельзя_ использовать, когда необходим другой тип нуля.
Даже если это и будет работать, с точки зрения стиля
программирования это плохо.(ANSI позволяет определить NULL с помощью
#define как (void *)0. Такое определение не позволит использовать
NULL там, где не подразумеваются указатели). Особенно не рекомендуется
использовать NULL там, где требуется нулевой код ASCII (NUL). Если
необходимо, напишите собственное определение
#define NUL '\0'
Смотри: K&R II Разд. 5.4 c. 102.
1.9 Но не лучше ли будет использовать NULL (вместо 0) в случае, когда
значение NULL изменяется, быть может, на компьютере с ненулевым
внутренним представлением нулевых указателей?
О: Нет. Хотя символические константы часто используются вместо чисел
из-за того, что числа могут измениться, в данном случае причина, по
которой используется NULL, иная. Еще раз повторим: язык гарантирует,
что 0, встреченный там, где по контексту подразумевается указатель,
будет заменен компилятором на нулевой указатель. NULL используется
только с точки зрения лучшего стиля программирования.
1.10: Я в растерянности. Гарантируется, что NULL равен 0, а нулевой
указатель нет?
О: Термин "null" или "NULL" может не совсем обдуманно использоваться
в нескольких смыслах:
1. Нулевой указатель как абстрактное понятие языка, определенное
в вопросе 1.1. Он представляется с помощью...
2. Внутреннее (на стадии выполнения) представление нулевого
указателя, которое может быть отлично от нуля и различаться
для различных типов указателей. О внутреннем представлении
нулевого указателя должны заботиться только создатели
компилятора. Программистам на С это представление не
известно, поскольку они используют...
3. Синтаксическое соглашение для нулевых указателей, символ
"0". Вместо него часто используют...
4. Макрос NULL который с помощью #define определен как "0"
или "(void *)0". Наконец, нас может запутать...
5. Нулевой код ASCII (NUL), в котором все биты равны нулю, но
который имеет мало общего с нулевым указателем, разве что
названия похожи; и...
6. "Нулевой стринг", или, что то же самое, пустой стринг ("").
Термин "нулевой стринг" может приводить к путанице в С и,
возможно, его следует избегать, так как пустой стринг
включает символ '\0', но не нулевой указатель, и здесь мы
уже идем по кругу...
В этом документе фраза "нулевой указатель" (прописными буквами)
используется в смысле 1, символ "0" в смысле 3, а слово "NULL",
записанное большими буквами, в смысле 4.
1.11: Почему так много путаницы связано с нулевыми указателями? Почему
так часто возникают вопросы?
О: Программисты на С традиционно хотят знать больше, чем это необходимо
для программирования, о внутреннем представлении кода. Тот факт,
что внутреннее представление нулевых указателей для большинства
машин совпадает с их представлением в исходном тексте, т.е. нулем,
способствует появлению неверных обобщений. Использование макроса
(NULL) предполагает, что значение может впоследствии измениться, или
иметь другое значение для какого-нибудь компьютера. Конструкция
"if(p == 0)" может быть истолкована неверно, как преобразование перед
сравнением p к целому типу, а не 0 к типу указателя. Наконец, часто
не замечают, что термин "null" употребляется в разных смыслах
(перечисленных выше).
Хороший способ устранить путаницу - вообразить, что язык С имеет
ключевое слово (возможно, nil, как в Паскале), которое обозначает
нулевой указатель. Компилятор либо пребразует "nil" в нулевой
указатель нужного типа, либо сообщает об ошибке, когда этого сделать
нельзя. На самом деле, ключевое слово для нулевого указателя в С
- это не "nil" а "0". Это ключевое слово работает всегда, за
исключением случая, когда компилятор воспринимает в неподходящем
контексте "0" без указания типа как целое число, равное нулю, вместо
того, чтобы сообщить об ошибке. Программа может не работать, если
предполагалось, что "0" без явного указания типа - это нулевой
указатель.
1.12: Я все еще в замешательстве. Мне так и не понятна возня с нулевыми
указателями.
О: Следуйте двум простым правилам:
1. Для обозначения в исходном тексте нулевого указателя,
используйте "0" или "NULL".
2. Если "0" или "NULL" используются как фактические
аргументы при вызове функции, приведите их к типу указателя,
который ожидает вызываемая функция.
Остальная часть дискуссии посвящена другим заблуждениям, связанным с
нулевыми указателями, внутреннему представлению нулевых указателей
(которое Вам знать не обязательно), а также усовершенствованиям
стандарта ANSI C. Изучите ответы на вопросы 1.1, 1.2, и 1.3, а
также учтите вопросы 1.8 и 1.11, и все будет нормально.
1.13: Учитывая всю эту путаницу, связанную с нулевыми указателями, не лучше
ли просто потребовать, чтобы их внутреннее представление было нулевым?
О: Если причина только в этом, то поступать так было бы неразумно, так
как это неоправданно ограничит конкретную реализацию, которая (без
таких ограничений) будет естественным образом представлять нулевые
указатели специальными, отличными от нуля значениями, особенно когда
эти значения автоматически будут вызывать специальные аппаратные
прерывания, связанные с неверным доступом.
Кроме того, что это требование даст на практике? Понимание нулевых
указателей не требует знаний о том, нулевое или ненулевое их
внутреннее представление. Предположение о том, что внутреннее
представление нулевое, не приводит к упрощению кода (за исключением
некоторых случаем сомнительного использования calloc; см. вопрос
3.13). Знание того, что внутреннее представление равно нулю, не
упростит вызовы функций, так как _размер_ указателя может быть
отличным от размера указателя на int. (Если вместо "0" для
обозначения нулевого указателя использовать "nil" (см. вопрос 1.11),
необходимость в нулевом внутреннем представлении нулевых указателей
даже бы не возникла).
1.14: Ну а если честно, на какой-нибудь реальной машине используются
ненулевые внутренние представления нулевых указателей или разные
представления для указателей разных типов?
О: Серия Prime 50 использует сегмент 07777, смещение 0 для нулевого
указателя, по крайней мере, для PL/I. Более поздние модели используют
сегмент 0, смещение 0 для нулевых указателей С, что делает
необходимыми новые инструкции, такие как TCNP (проверить нулевой
указатель С), которые вводятся для совместимости с уцелевшими
скверно написанными С программами, основанными на неверных
предположениях. Старые машины Prime с адресацией слов были печально
знамениты тем, что указатели на байты (char *) у них были большего
размера, чем указатели на слова (int *).
Серия Eclipse MV корпорации Data General имеет три аппаратно
поддерживаемых типа указателей (указатели на слово, байт и бит), два
из которых - char * и void * используются компиляторами С. Указатель
word * используется во всех других случаях.
Некоторые центральные процессоры Honeywell-Bull используют код 06000
для внутреннего представления нулевых указателей.
Серия CDC Cyber 180 использует 48-битные указатели, состоящие из
кольца (ring), сегмента и смещения. Большинство пользователей
(в кольце 11) имеют в качестве нулевых указателей код 0xB00000000000.
Символическая Лисп-машина с теговой архитектурой даже не имеет
общеупотребительных указателей; она использует пару <NIL,0> (вообще
говоря, несуществующий <объект, смещение> хендл) как нулевой
указатель С.
В зависимости от модели памяти, процессоры 80*86 (PC) могут
использовать либо 16-битные указатели на данные и 32-битные указатели
на функции, либо, наоборот, 32-битные указатели на данные и 16-битные
- на функции.
Старые модели HP 3000 используют различные схемы адресации для байтов
и для слов. Указатели на char и на void, имеют, следовательно,
другое представление, чем указатели на int (на структуры и т.п.),
даже если адрес одинаков.
1.15 Что означает ошибка во время исполнения "null pointer assignment"
(запись по нулевому адресу). Как мне ее отследить?
О: Это сообщение появляется только в системе MS-DOS (см., следовательно,
раздел 16) и означает, что произошла запись либо с помощью
неинициализированного, либо нулевого указателя в нулевую область.
Отладчик обычно позволяет установить точку останова при доступе к
нулевой области. Если это сделать нельзя, Вы можете скопировать около
20 байт из области 0 в другую и периодически проверять, не изменились
ли эти данные.
2. Указатели и массивы
2.1: В одном файле у меня есть описание char a[6] а в другом я объявил
extern char *a. Почему это не работает?
О: Декларация extern char *a просто не совпадает с текущим определением.
Тип "Указатель-на-тип-Т" не равен типу "массив-типа-Т". Используйте
extern char a[].
2.2: Но я слышал, что char a[] эквивалентно char *a.
О: Ничего подобного. (То, что Вы слышали, касается формальных параметров
функций, см. вопрос 2.4.) Массивы - не указатели. Объявление массива
"char a[6];" требует определенного места для шести символов, которое
будет известно под именем "a". То есть, существует место под именем
"a", в которое могут быть помещены 6 символов. С другой стороны,
объявление указателя "char *p;" требует места только для самого
указателя. Указатель будет известен под именем "p" и может указывать
на любой символ (или непрерывный массив символов).
Как обычно, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.
Объявление
char a[] = "hello";
char *p = "world";
породит структуры данных, которые могут быть представлены так:
+---+---+---+---+---+---+
a: / h / e / l / l / o /\0 /
+---+---+---+---+---+---+
+-----+ +---+---+---+---+---+---+
p: / *======> / w / o / r / l / d /\0 /
+-----+ +---+---+---+---+---+---+
Важно понимать, что ссылка типа х[3] порождает разный код в
зависимости от того, массив х или указатель. Если взять приведенную
выше декларацию, то, когда компилятор встречается с выражением а[3],
он генерирует код, позволяющий переместиться к месту под именем "a",
перемещается на три символа вперед и затем читает требуемый символ.
В случае выражения p[3] компилятор генерирует код, чтобы начать с
позиции "p", считывает значение указателя, прибавляет к указателю
3 и, наконец, читает символ, на который указывает указатель. В нашем
примере и a[3] и p[3] оказались равны 'l', но компилятор получает
этот символ по-разному. (Смотри также вопросы 17.19 и 17.20.)
2.3: Тогда что же понимается под "эквивалентностью указателей и массивов"
в С?
О: Большая часть путаницы вокруг указателей в С происходит от
непонимания этого утверждения. "Эквивалентность" указателей и
массивов не позволяет говорить не только об идентичности, но и
взаимозаменяемости.
"Эквивалентность" относится к следующему ключевому определению:
значение [см. вопрос 2.5] типа массив-Т, которое появляется
в выражении, превращается (за исключением трех случаев) в
указатель на первый элемент массива; тип результирующего
указателя - указатель-на-Т.
(Исключение составляют случаи, когда массив оказывается операндом
sizeof, оператора & или инициализатором символьной строки для
массива литер.)
Вследствие этого определения нет заметной разницы в поведении
оператора индексирования [], если его применять к массивам и
указателям. Согласно правилу, приведенному выше, в выражении типа
а[i] ссылка на массив "a" превращается в указатель и дальнейшая
индексация происходит так, как будто существует выражение с
указателем p[i] (хотя доступ к памяти будет различным, как описано в
ответе на вопрос 2.2). В любом случае выражение x[i], где х - массив
или указатель) равно по определению *((x)+(i)).
Смотри: K&R I Разд.5.3 c.93-6; K&R II Разд.5.3 c. 99; H&S
Разд.5.4.1 c. 93; ANSI Разд.3.2.2.1, Разд.3.3.2.1,
Разд.3.3.6 .
2.4: Тогда почему объявления указателей и массивов взаимозаменяемы в
в качестве формальных параметров?
О: Так как массивы немедленно превращаются в указатели, массив на самом
деле не передается в функцию. По общему правилу, любое похожее на
массив объявление параметра
f(a)
char a[];
рассматривается компилятором как указатель, так что если был передан
массив, функция получит:
f(a)
char *a;
Это превращение происходит только для формальных параметров функций,
больше нигде. Если это превращение раздражает Вас, избегайте его;
многие пришли к выводу, что порождаемая этим путаница перевешивает
небольшое преимущество от того, что объявления смотрятся как вызов
функции и/или напоминают о том, как параметр будет использоваться
внутри функции.
Смотри: K&R I Разд.5.3 c. 95, Разд.A10.1 c. 205; K&R II
Разд.5.3 c. 100, Разд.A8.6.3 c. 218, Разд.A10.1 c.226; H&S
Разд.5.4.3 c. 96; ANSI Разд.3.5.4.3, Разд.3.7.1, CT&P Разд.3.3
c. 33-4.
2.5 Как массив может быть значением типа lvalue, если нельзя присвоить
ему значение?
О: Стандарт ANSI C определяет "модифицируемое lvalue", но массив к
этому не относится.
Смотри: ANSI Разд. 3.2.2.1 c. 37.
2.6 Почему sizeof неправильно определяет размер массива, который передан
функции в качестве параметра?
О: Оператор sizeof сообщает размер указателя, который на самом деле
получает функция. (см. вопрос 2.4).
2.7 Кто-то объяснил мне, что массивы это на самом деле только постоянные
указатели.
О: Это слишком большое упрощение. Имя массива - это константа,
следовательно, ему нельзя присвоить значение, но массив - это не
указатель, как должно быть ясно из ответа на вопрос 2.2 и из
картинки, помещенной там же.
2.8 C практической точки зрения в чем разница между массивами и
указателями?
О: Массивы автоматически резервируют память, но не могут изменить
расположение в памяти и размер. Указатель должен быть задан так,
чтобы явно указывать на выбранный участок памяти (возможно с помощью
malloc), но он может быть по нашему желанию переопределен (т.е. будет
указывать на другие объекты) и, кроме того, указатель имеет много
других применений, кроме службы в качестве базового адреса блоков
памяти.
В рамках так называемой эквивалентности массивов и указателей (см.
вопрос 2.3), массивы и указатели часто оказываются взаимозаменяемыми.
Особенно это касается блока памяти, выделенного функцией malloc,
указатель на который часто используется как настоящий массив. (На
этот блок памяти можно ссылаться, используя [], cм. вопрос 2.14,
а также вопрос 17.20.)
2.9 Я наткнулась на шуточный код, содержащий "выражение" 5["abcdef"].
Почему такие выражения возможны в С?
О: Да, Вирджиния, индекс и имя массива можно переставлять в С. Этот
забавный факт следует из определения индексации через указатель, а
именно, a[e] идентично *((a)+(e)), для _любого_ выражения е и
основного выражения а, до тех пор пока одно из них будет указателем,
а другое целочисленным выражением. Это неожиданная коммутативность
часто со странной гордостью упоминается в С-текстах, но за пределами
Соревнований по Непонятному Программированию (Obfuscated C Contest) она применения не находит. (см. вопрос 17.13).
Смотри: ANSI Rationale Разд. 3.3.2.1 c. 41.