Dev Blog

Пам’ять і вказівники ​

Пам’ять, об’єкт і час зберігання ​

Об’єкт програми займає певну область пам’яті й має час життя. Значення, адреса та власник – різні характеристики. Значенням цілого об’єкта може бути 5, адресою – місце його розташування, а власником – об’єкт або область, відповідальна за завершення його життя. Вказівник зберігає адресу, але сам факт зберігання адреси не пояснює, хто має звільнити ресурс.

Автоматичні локальні об’єкти живуть у межах відповідного виклику або блока. Реалізація часто розміщує їх у стеку, але стандарт описує час зберігання, а не обов’язкове фізичне розташування кожної змінної. Статичні об’єкти існують протягом тривалого періоду роботи програми. Динамічні об’єкти створюються окремою операцією і потребують визначеного механізму звільнення (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Основні категорії пам’яті програми

У популярних схемах стек і купа ростуть назустріч, але реальний віртуальний адресний простір сучасної ОС складніший. Не використовуйте таку схему для арифметичного порівняння адрес незалежних об’єктів. Операційна система й засоби захисту можуть змінювати адреси між запусками. Тест має перевіряти поведінку, а не конкретне шістнадцяткове число адреси.

Володіння (ownership) – відповідальність за ресурс. Власник повинен завершити його життя рівно один раз і не раніше, ніж закінчилися дозволені доступи. Сучасний C++ виражає це через об’єкти-власники: vector володіє буфером, string – текстом, unique_ptr – одним динамічним ресурсом. Саме ці об’єкти зазвичай замінюють ручне new/delete.

Вказівники та операції доступу ​

Вказівник (pointer) типу int* може зберігати адресу int або нульове значення nullptr. Операція &value отримує адресу, а *pointerрозіменовує (dereference) вказівник, тобто звертається до об’єкта за адресою. Однаковий символ * у різних контекстах може означати частину типу, розіменування або множення.

Нульовий вказівник не позначає об’єкт. Перед доступом перевіряйте його, якщо відсутність об’єкта є допустимою частиною інтерфейсу. Ненульове значення саме по собі не доводить чинність: вказівник може посилатися на вже знищений об’єкт. Ініціалізуйте вказівники, не покладайтеся на випадкові біти локальної пам’яті.

const int* p дозволяє змінити саму адресу, але не число через p. int* const p = &x фіксує адресу, проте дозволяє змінювати x. const int* const p обмежує обидві дії. У читанні типу запитуйте окремо: що можна змінити через доступ і чи можна перепризначити сам вказівник. Для структури p->field є коротким записом (*p).field.

Приклад 1. Адреса і розіменування ​

cpp
#include <print>

int main()
{
    int value = 5;
    int* pointer = &value;
    int& reference = value;
    *pointer = 8;
    reference += 2;
    std::println("value={}, pointed={}", value, *pointer);
    std::println("same address: {}", pointer == &reference);
    pointer = nullptr;
    std::println("empty: {}", pointer == nullptr);
}
text
value=10, pointed=10
same address: true
empty: true

Об’єкт один; pointer і reference надають різні форми доступу до нього. Присвоєння nullptr не знищує value: вказівник у цьому прикладі не є власником. Для показу адреси у println використовують static_cast<void*>(pointer); адресу char-вказівника не слід плутати з виведенням тексту нуль-термінованого рядка.

Посилання на звичайний об’єкт має бути пов’язане з ним під час створення і не перепризначається. Вказівник зручний, коли допустима відсутність або зміна об’єкта спостереження. Посилання зручне, коли об’єкт обов’язково існує протягом виклику. Обидві форми можуть стати висячими, якщо час життя порушено.

Масиви й арифметика вказівників ​

Для масиву int values[5] значення values у багатьох виразах перетворюється на адресу першого елемента. Якщо p вказує на нього, p+1 позначає наступний елемент, а не наступний байт. Крок дорівнює sizeof(int). p[i] еквівалентне *(p+i) у межах допустимого масиву (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Кроки вказівника в межах одного масиву

Дозволено утворити адресу відразу після останнього елемента як маркер кінця. Розіменовувати її не можна. Віднімати вказівники осмислено лише в межах того самого масиву або його кінця; результат має знаковий тип std::ptrdiff_t з <cstddef>. Арифметика між незалежними виділеннями не є способом знайти відстань між двома довільними об’єктами.

Рядок C є послідовністю char, завершеною нульовим байтом \0. const char* не містить довжини. Функція повинна мати гарантію, що завершальний нуль доступний, або окремий розмір буфера. Пошук нуля за межами доступної пам’яті є помилкою. Аргументи argv надають нуль-терміновані рядки середовища запуску; це не дозвіл довільно збільшувати їхні буфери.

Перегляд елементів за адресою

Рис. 5.3. Перегляд елементів за адресою