Основы программирования — второй семестр 08-09; Михалкович С.С.; II часть — различия между версиями

Версия 20:47, 3 марта 2009

Лекция 3

Указатели

Адрес

Оперативная память состоит из последовательный ячеек. Каждая ячейка имеет номер, называемый адресом.
В 32-битных системах можно адресовать 2³² байт (<math>\approx \;</math> 4Гб) памяти, в 64-битных — 2 ⁶⁴ соответственно.

Переменная (или константа), хранящая адрес, называется указателем.

Для чего нужны указатели

Указатели повышают гибкость доступа к данным:

1. Вместо самих данных можно хранить указатель на них. Это позволяет хранить данные в одном экземпляре и множество указателей на эти данные. Через разные указатели эти данные можно обновлять (пример — корпоративная БД).
2. Указателю можно присвоить адрес другого объекта (вместо старого появился новый телефонный справочник).
3. С помощью указателей можно создавать сложные структуры данных.

Подробнее об указателях

Указатели делятся на:

• Типизированные (указывают на объект некоторого типа)
  Имеют тип: ^<тип>
  Пример. ^integer — указатель на integer
• Бестиповые (хранят адрес ячейки памяти неизвестного типа)
  Преимущество: могут хранить что угодно
  Имеют тип: pointer

Пример кода.

var
  i: integer := 5;
  r: real := 6.14;
  
  pi: ^integer;
  pr: ^real;

begin
  pi := @i;
  pr := @r;
  pi := @r; // ОШИБКА компиляции
end.

@ — унарная операция взятия адреса <xh4>Операция разадресации (разыменования)</xh4>

var
  i: integer := 5;
  pi: ^integer;

begin
  pi := @i;
  
  pi^ := 8 - pi^;
  writeln(i); // 3
end.

^ — операция разыменования
pi^ — то, на что указывает pi, т.е. другое имя i или ссылка на i.

Тут надо вспомнить определение ссылки:
Ссылка — другое имя объекта. <xh4>Нулевой указатель</xh4> Все глобальные неинициализированные указатели хранят специальное значение nil, что говорит о том, что они никуда не указывают.
Указатель, хранящий значение nil называется нулевым.

var
  pi: ^integer; //указатель pi хранит значение nil
  i: integer;

begin
  pi := @i;     //pi хранит адрес переменной i
  pi := nil;    //pi снова никуда не указывает
  
  pi^ := 7;     //ОШИБКА времени выполнения:
                //попытка разыменовать нулевой указатель

Попытка разыменовать нулевой указатель приводит к ошибке времени выполнения. <xh4>Бестиповые указатели</xh4>

var
  p: pointer;
  i: integer;

begin
  p := @i;
end.

Бестиповому указателю можно присвоить адрес переменной любого типа, т.е. бестиповой указатель совместим по присваиванию с любым типовым указателем.

Попытка разыменовать бестиповой указатель приводит к ошибке компиляции. Т.е. он может только хранить адреса.

Оказывается, любой типизированный указатель совместим по присваиванию с бестиповым, т.е. следующий код верен:

var 
  pi: ^integer;
  i: integer;
  p: pointer;

begin
  p := @i;
  pi := p;
  pi^ += 2;
end.

Вопрос. Нельзя ли интерпретировать память, на которую указывает p, как принадлежащую к определенному типу?
Ответ — да, можно. Вот как это сделать:

type 
  pinteger = ^integer;
var
  i, j: integer;
  p: pointer;

begin
  p := @i;
  pinteger(p)^ := 7; //используем явное приведение типа
  writeln(i); // 7
end.

Запись

<тип>( <переменная> )

показывает, что используется явное приведение типов.

Внимание! Неконтролируемая ошибка!

type 
  pinteger = ^integer;
var
  i, j: integer;
  p: pointer;

begin
  p := @i;
  preal(p)^ := 3.14; //ОШИБКА!
end.

Область памяти, на которую указывает p трактуется как область, хранящее вещественное число (8 байт), и потому константа 3.14 записывается в эти 8 байт. Однако, переменная i занимает только 4 байта, поэтому затираются еще 4 соседних байта (в данном случае они принадлежат переменной j).

Доступ к памяти, имеющей другое внутреннее представление

var r: real := 3.1415;

type Rec = record
       b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8: byte;
     end;

var pr: ^Rec;

begin
  pr := pointer(@r); //Явное приведение типа
  writeln(pr^.b1, ' ', pr^.b2, ' ', ..., pr^.b8);
end.

Замечание. Важно, что типы real и Rec имеют один размер.

Динамическая память

Особенности динамической памяти

Память, принадлежащая программе, делится на:

• Статическую
  (память, занимаемая глобальными переменными и константами)
• Автоматическую
  (память, занимаемая локальными данными, т.е. стек программы)
• Динамическую
  (память, выделяемая программе по специальному запросу)

В отличие от статической и автоматической памяти, которые фиксированы после запуска программы, программа еще может получать любое количество динамической памяти, ограниченное лишь объемом оперативной памяти.
Основная проблема — явно выделенную динамическую память необходимо возвращать, иначе не хватит памяти другим программам.

Для явного выделения и освобождения динамической памяти используются процедуры:

• New
• Dispose

var
  p: pinteger;  //p никуда не указывает
begin
  New(p);       //в динамической памяти выделяется ячейка
                //размером под один integer, и 
                //p начинает указывать на эту ячейку
  p^ := 3;
  Dispose(p);   //возвращает динамическую память, 
                //контролируемую указателем p, назад — ОС
end.

По окончании работы программы, вся затребованная программой динамическая память возвращается ОС.
Но лучше освобождать динамическую память явно!

Ошибки при работе с динамической памятью

var p: pinteger;
begin
  p^ := 5;  //ОШИБКА
end.

Ошибка разыменования нулевого указателя (попытка использовать невыделенную динамическую память)

var p: pinteger;
begin
  New(p);
  New(p);  //ОШИБКА
end.

Утечка памяти (память, которая выделилась в результате первого вызова New(p) принадлежит программе, но не контролируется никаким указателем.

var p: pinteger;
begin
  for var  i:=1 to 1000000 do
    New(p);  //ОШИБКА
end.

Out of Memory (очень большие утечки памяти, в результате которых динамическая память может "исчерпаться")

var p: pinteger;
begin
  New(p);
  p^ := 5;
  Dispose(p);
  p^ := 7;  //ОШИБКА
end.

После вызова Dispose(p), p называют висячим указателем (т.к. он указывает на недоступную более область памяти)

Неявные указатели в языке Pascal

1. procedure p(var i: integer)
   Для параметра-переменной при вызове на стек кладется не сама переменная, а указатель на неё.
2. var pp: procedure(i: integer)
   Для хранения процедурной переменной используется ячейка памяти, являющаяся указателем.
3. var a: array of real;
   Переменная типа динамический массив является указателем на данные массива, хранящиеся в динамической памяти.

Введение в классы

Рассмотрим запись студент:

type
  Student = record
    name: string;
    age: integer;
    
    procedure Init(n: string; a: integer);
    begin
      name := n;
      age := a;
    end;
    
    procedure Print;
    begin
      writelnFormat('Имя: {0} Возраст: {1}',
                    name, age);
    end;
  end;

var
  s: student;
begin
  s.Init('Иванов', 18);
end.

Когда мы описываем переменную типа Student, она кладется на программный стек.

А вот так выглядит класс Student:

type
  Student = class
    name: string;
    age: integer;
    
    constructor Create(n: string; a: integer);
    begin
      name := n;
      age := a;
    end;
    
    procedure Print;
    begin
      writelnFormat('Имя: {0} Возраст: {1}',
                    name, age);
    end;
  end;

var
  s: student;
begin
  s := New Student('Иванов', 18);
end.

Переменная типа класс является указателем. Для выделения динамической памяти под объект класса Student используется вызов специального метода, называемого конструктором (New Student(<имя>, <возраст>)).

Лекция 4 <xh4></xh4>

Шаблоны классов.

Решение проблемы освобождения памяти, занимаемой объектами классов: сборка мусора (.NET, Java).

Управляемая динамическая память и ее возврат. Отсутствие утечки памяти.

Динамические структуры данных. Списки

Виды списков. Рисунки.

Односвязные линейные списки

Класс узла списка (шаблонный)

Линейный односвязный список.


Циклический односвязный список

Стандартные операции с односвязными линейными списками

• Вставка элемента в начало
• Удаление элемента из начала
• Вставка после текущего
• Удаление после текущего
• Проход по списку

Двусвязные линейные списки

Двусвязный линейный список.


Циклический двусвязный список.

Стандартные операции с двусвязными линейными списками

• Инициализация
• Добавление в начало, конец
• Удаление из начала, конца
• Вставка элемента перед текущим, после текущего
• Удаление текущего
• Объединение двух списков

Помещение операций по работе со списком внутрь класса