Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

17.4. Свободная память и указатели

Рассмотрим реализацию класса vector, приведенную в конце раздела 17.2. Где класс vector находит место для хранения своих элементов? Как установить указатель elem так, чтобы он ссылался на них? Когда начинается выполнение программы, написанной на языке С++, компилятор резервирует память для ее кода (иногда эту память называют кодовой (code storage), или текстовой (text storage)) и глобальных переменных (эту память называют статической (static storage)). Кроме того, он выделяет память, которая будет использоваться при вызове функций для хранения их аргументов и локальных переменных (эта память называется стековой (stack storage), или автоматической (automatic storage)). Остальная память компьютера может использоваться для других целей; она называется свободной (free). Это распределение памяти можно проиллюстрировать следующим образом.

Язык С++ делает эту свободную память (которую также называют кучей (heap)) доступной с помощью оператора new. Рассмотрим пример.

 double* p = new double[4]; // размещаем 4 числа double в свободной
  // памяти

Указанная выше инструкция просит систему выполнения программы разместить четыре числа типа double в свободной памяти и вернуть указатель на первое из них. Этот указатель используется для инициализации переменной p. Схематически это выглядит следующим образом.

Оператор new возвращает указатель на объект, который он создал. Если оператор new создал несколько объектов (массив), то он возвращает указатель на первый из этих массивов. Если этот объект имеет тип X, то указатель, возвращаемый оператором new, имеет тип X*. Рассмотрим пример.

 char* q = new double[4]; // ошибка: указатель double*
  // присваивается char*

Данный оператор new возвращает указатель на переменную типа double, но тип double отличается от типа char, поэтому мы не должны (и не можем) присвоить указатель на переменную типа double указателю на переменную типа char.

17.4.1. Размещение в свободной памяти

Оператор new выполняет выделение (allocation) свободной памяти (free store).

• Оператор new возвращает указатель на выделенную память.

• Значением указателя является адрес на первый байт выделенной памяти.

• Указатель ссылается на объект указанного типа.

• Указатель не знает, на какое количество элементов он ссылается.

Оператор new может выделять память как для отдельных элементов, так и для последовательности элементов. Рассмотрим пример.

 int* pi = new int; // выделяем память для одной переменной int
 int* qi = new int[4]; // выделяем память для четырех переменных int
  // (массив)
 double* pd = new double; // выделяем память для одной переменной
  // double
 double* qd = new double[n]; // выделяем память для n переменных
  // double

Обратите внимание на то, что количество объектов может задаваться переменной. Это важно, поскольку позволяет нам выбирать, сколько массивов можно разместить в ходе выполнения программы. Если n равно 2, то произойдет следующее.

Указатели на объекты разных типов имеют разные типы. Рассмотрим пример.

 pi = pd; // ошибка: нельзя присвоить указатель double* указателю int*
 pd = pi; // ошибка: нельзя присвоить указатель int* указателю double*

Почему нельзя? В конце концов, мы же можем присвоить переменную типа int переменной типа double, и наоборот. Причина заключается в операторе []. Для того чтобы найти элемент, он использует информацию о размере его типа. Например, элемент qi[2] находится на расстоянии, равном двум размерам типа int от элемента qi[0], а элемент qd[2] находится на расстоянии, равном двум размерам типа double от элемента qd[0]. Если размер типа int отличается от размера типа double, как во многих компьютерах, то, разрешив указателю qi ссылаться на память, выделенную для адресации указателем qd, можем получить довольно странные результаты.

Это объяснение с практической точки зрения. С теоретической точки зрения ответ таков: присваивание друг другу указателей на разные типы сделало бы возможными ошибки типа (type errors).

17.4.2. Доступ с помощью указателей

Кроме оператора разыменования *, к указателю можно применять оператор индексирования []. Рассмотрим пример.

 double* p = new double[4]; // выделяем память для четырех переменных
  // типа double в свободной памяти
 double x = *p; // читаем (первый) объект, на который
  // ссылается p
 double y = p[2]; // читаем третий объект, на который
  // ссылается p

Так же как и в классе vector, оператор индексирования начинает отсчет от нуля. Это значит, что выражение p[2] ссылается на третий элемент; p[0] — это первый элемент, поэтому p[0] означает то же самое, что и *p. Операторы [] и * можно также использовать для записи.

 *p = 7.7; // записываем число в (первый) объект, на который
  // ссылается p
 p[2] = 9.9; // записываем число в третий объект, на который
  // ссылается p

Указатель ссылается на объект, расположенный в памяти. Оператор разыменования (“contents of” operator, or dereference operator) позволяет читать и записывать объект, на который ссылается указатель p.

 double x = *p; // читаем объект, на который ссылается указатель p
 *p = 8.9; // записываем объект, на который ссылается указатель p

Когда оператор [] применяется к указателю p, он интерпретирует память как последовательность объектов (имеющих тип, указанный в объявлении указателя), на первый из который ссылается указатель p.

 double x = p[3]; // читаем четвертый объект, на который ссылается p