1. Адреси та вказівники Пам'ять комп'ютера можна розглядати як послідовність байтів, номери яких 0, 1, 2, … називаються адресами. Кожна змінна в пам'яті займає залежно від її типу деяку кількість послідовних байтів. Наприклад, змінні типу char займають 1 байт, а величезні масиви – тисячі й десятки тисяч байтів. Адресою змінної вважається адреса її першого байта. Не кожна адреса може бути адресою змінної. Наприклад, змінні типу integer можуть мати лише парні адреси. Усі можливі адреси даних якогось типу T утворюють носій типу адрес, що позначається виразом ^T. Наприклад, ^integer позначає множину адрес цілих, ^array[1 100] of char – множину адрес масивів, складених сотнею символів, ^record fld1, fld2 : real end – множину адрес записів із двох дійсних. Типом T може бути довільний тип, окрім типу файла. Тип, означений як ^T, називається адресним, а тип T – базовим для нього. У стандарті мови Паскаль немає сталих для явного позначення адрес, але є в діалектах. Значення адресного типу ^T задаються викликом функції ADDR вигляду addr(x), де x – ім'я змінної типу T. У мові Турбо Паскаль означено операцію @: замість addr(x) можна писати @x. Ім'я nil позначає адресу 0, що належить до всіх можливих типів ^T. Ця адреса не може бути адресою жодної змінної, тобто є "нічийною", фіктивною. До однотипних адрес застосовні операції порівняння на рівність = і нерівність <>. Змінні, значеннями яких є адреси, називаються вказівниками. У стандарті мови Паскаль вживаються так звані типізовані вказівники – змінні типу ^T. Вони ще називаються вказівниками типу T. Їм можна присвоювати адреси змінних тільки типу T або значення nil. Присвоювання адреси змінної вказівнику називається встановленням його на змінну. Приклад 16.1. За дії означень
type Ari = array[1 5]of integer; var x : Ari; p : ^Ari; результат присвоювання p:=addr(x) можна подати так: До вказівників застосовна специфічна операція розіменування зі знаком "^": якщо p – вказівник типу T, то вираз p^ задає змінну типу T, на яку встановлено p. Якщо p встановлено на змінну x, то вирази x і p^ еквівалентні. У прикладі 16.1 елемент масиву з індексом k задається як виразом x[k], так і виразом p^[k], тобто замість присвоювання x[1]:=1 можна написати p^[1]:=1, або замість x[2]:=2*x[1] – p^[2]:=2*p^[1]. Розіменування нікуди не встановленого вказівника або вказівника зі значенням nil призводить до аварійного закінчення програми. Нині в більшості комп’ютерів адреси незалежно від їх базових типів займають 4 байти. Таким чином, і адреси типу ^char, і адреси типів ^array[1 100] of char або ^^integer (адреси адрес цілих) займають по 4 байти. Неважко зрозуміти, що 4 байти можуть мати 232=4294967296=4Г різних станів, якими подається стільки ж адрес.
2. Вільна пам'ять Основним застосуванням вказівників є робота з вільною пам'яттю. Пам'ять процесу виконання програми поділяється на кілька різних за призначенням частин. Ними є:
- пам'ять для операторів програми,
- статична пам'ять – для глобальних і статичних змінних програми й модулів,
- автоматична пам'ять, або програмний стек – для локальних змінних при виконанні викликів підпрограм.
- вільна пам'ять, або купа.
Вільна пам'ять відрізняється від інших тим, що її ділянки виділяються під змінні та звільняються від них за явними на те указаннями в програмі. Змінні в цій пам'яті не мають імен, ідентифікуються за допомогою встановлених на них вказівників й називаються
динамічними. Створення та знищення динамічних змінних називається
керуванням купою. Найпростішими засобами керування купою є процедури
NEW та
DISPOSE. Виклики їх мають вигляд new(p) та dispose(p), де p – вказівник на довільний тип T. Зазначимо одразу, що вказівник може бути як автоматичною чи статичною змінною, так і динамічною. Приклади застосування саме динамічних вказівників ми розглянемо в наступному підрозділі. За виконання процедури new виділяється вільна, тобто незайнята іншими даними, ділянка купи. Її довжиною є кількість байтів, що займаються даними типу T. Адреса першого байта ділянки присвоюється аргументу p, тобто вказівник p встановлюється на цю ділянку. Наприклад, якщо в програмі означено p : Ari, як у прикладі 16.1, то результат виконання new(p) можна подати так: Динамічна змінна, на яку встановлено вказівник p, означений у програмі, ідентифікується виразом p^. Якщо в купі немає вільної ділянки потрібного розміру, то результат визначається конкретною системою програмування (найвірогідніше, виконання програми аварійно завершиться). При виконанні процедури dispose ділянка пам'яті, на яку встановлено аргумент, звільняється, але (увага!) значення аргументу не змінюється. Спроба звільнити вже звільнену ділянку пам'яті призводить до аварійного закінчення виконання програми.
Приклад 2. Програмаз такою послідовністю операторів закінчується аварійно (p, q – однотипні вказівники): new ( p ); q := p; dispose ( p ); dispose ( q ); {
??? }
3. Лінійні зв'язані списки 3.1. Зв'язаний список у купі Поняття про лінійні списки та найпростіші дії над ними (додавання та вилучення елементів) пояснимо на прикладі. Задача. З клавіатури задається послідовність прізвищ непорожніми рядками, що можуть повторюватися. Ознакою кінця є порожній рядок. Надрукувати прізвища кожне один раз із виконанням однієї з умов: (1) порядок прізвищ не суттєвий; (2) прізвища друкуються в лексикографічному порядку. Розглянемо спочатку задачу, що визначається умовою (1). Нехай s позначає черговий рядок, а ss – послідовність прочитаних рядків. Спочатку ss порожня, що позначимо символами <>. Задамо розв'язання алгоритмом: ss := <>; readln ( s ); while s <> '' do begin if not ( s належить ss ) then (16.1) додати s до ss; readln ( s ) end; надрукувати елементи ss. Умова задачі не обмежує кількість елементів у послідовності ss, тому для її зберігання масив непридатний. Скористаємося лінійним зв'язаним списком рядків у вільній пам'яті. Елементами списку є структури вигляду
|
Рядок |
Вказівник на наступний рядок |
Вони утворюють послідовність, показану на рис.16.1. Перший елемент називається
головою списку. Поле-вказівник кожного (крім останнього) елемента списку ідентифікує наступний елемент, тобто "прив'язує" його до попереднього. Якщо розірвати цей зв'язок, змінивши значення вказівника, то наступний елемент списку і всі за ним стають неідентифікованими і перетворюються на "сміття" у вільній пам'яті. Наприклад, якщо вказівник у першому елементі списку встановити не на другий елемент, а на якусь іншу ділянку пам'яті (пунктирна стрілка на рис.16.1), то на другий елемент (і всі за ним) вже немає посилань. А якщо на щось немає посилань, то його ніби й немає. За останнім елементом списку немає наступного, тому його вказівник установлений на "ніщо". Для ідентифікації першого елемента (і списку як структури в цілому) потрібен окремий вказівник, означений у програмі й розташований у її статичній або автоматичній пам'яті. Його називають
вказівником на голову списку. Розглянемо означення та операції, за допомогою яких створюється та обробляється лінійний список. По-перше, нам потрібен тип для елементів лінійного списку. Очевидно, вони являють собою структури, одне з полів яких є вказівником на значення цього самого типу структур. Таким чином, незрозуміло, який же тип слід означити спочатку – тип структур чи вказівників на них? Вихід із цього "замкненого кола" дає така властивість мови Паскаль: означення типу ^T вказівників дозволяється записувати вище від означення самого типу T. Ця властивість мови грунтується на тім, що вказівники будь-якого типу мають той самий розмір. Отже, означимо спочатку тип Tple вказівників, а потім тип елементів Tle зв'язаного списку рядків. Нехай str є ім'ям типу рядків у таких означеннях:
type TPle = ^Tle; Tle =
record v : str; next : TPle
end Якщо вказівник p типу TPle установлений на деякий елемент списку, то його можна позначити p^. Вирази p^.v і p^.next задають відповідно змінні типів str та Tple – їх значеннями є рядок, що зберігається в елементі списку, і адреса наступного елемента.
3.2. Найпростіші операції над списками За допомогою введених означень почнемо уточнювати алгоритм (16.1). Подамо послідовність ss зв'язаним списком рядків. Для його ідентифікації означимо вказівник pss типу TPle. Присвоювання ss := <> можна записати як pss :=
nil. Опишемо додавання рядка s до послідовності ss. Найпростіший спосіб – додавати елемент з голови списку, тобто рядок ніби записується перед послідовністю. Для цього треба одержати ділянку вільної пам'яті під новий елемент списку, записати в нього новий рядок, "прив'язати" голову списку до нового елемента і зробити цей елемент головою:
procedure add ( s : str;
var h : TPle );
var p : TPle;
begin new ( p ); p^.v := s; p^.next := h; h := p
end В результаті виконання процедури add у списку з'являється новий перший елемент, і вказівник h на голову списку змінюється. Тому він обов'язково повинен бути параметром-змінною. Оскільки послідовність представлено вказівником pss, саме він повинен бути аргументом у викликах цієї процедури: add ( s, pss ). Для визначення належності s до ss треба рухатися по елементах списку від його початку доти, поки не натрапимо на елемент із рядком s або не дістанемось останнього елемента. Нехай h^ – черговий елемент списку. Умову переходу до наступного елемента в пошуках s можна виразити так: ( h^.next <>
nil ) { черговий елемент не є останнім }
and ( h^.v <> s ) { і зберігає рядок, не рівний s } Перехід до наступного елемента задає оператор h:=h^.next. Якщо послідовність порожня, то відповідь одержується тривіально. Отже, визначення належності s до ss задається функцією isin:
Завантажити реферат