Лабораторная работа № 5 Указатели

До сих пор мы встречались с переменными, для каждой из которых отводилась неизменная на все время выполнения программы ячейка памяти. Такие переменные Н. Вирт назвал статическими. В целях более эффективного распоряжения памятью были разработаны динамические переменные и указатели (ссылки) Применение указателей и динамических переменных позволяет создавать гибкие вычислительные структуры и существенно расширяет объем используемой памяти.

Динамическая переменная не указывается явно в описаниях переменных и у нее нет имени. Для доступа к динамическим переменным предназначены переменные специального типа данных, называемые указателями (или ссылками).

Указатель – это переменная, значением которой является адрес динамической переменной. Имя указателя составляется по общим правилам идентификации, принятым в Delphi. Если указатель связывается с динамической переменной определенного типа, то он называется типизированным. Для описания типизированного указателя используется значок ^, который помещается перед соответствующим типом динамической переменной. Как правило, динамические переменные имеют тип запись, так как должны содержать, помимо значения (числового или текстового), указатели на другие динамические переменные связанной структуры. В операторной части программы динамические переменные обозначаются именем указателя с значком ^, помещенным после имени. Описание указателя обычно имеет следующую форму:

type <тип указателя>=^<тип динамической переменной>;

<тип динамической переменной>=record

<имя поля данных>:<тип данных>;

. . . . . . . . . . .

<имя поля указателя>:<тип указателя>:

. . . . . . . . . . .

end;

var <имя указателя>:<тип указателя>;

<имя указателя>:^<тип динамической переменной>;

Например:

type pn=^dp;

dp=record

i:integer;

p:pn

end;

var p1:^integer;

p2:^real;

p3:pn;

Приведенное описание предполагает использование указателя p1, содержащего адрес динамической переменной целого типа, указателя p2, указывающего на переменную действительного типа, и указателя p3, указывающего на переменную типа запись. В операторной части программы соответствующие переменные будут обозначены как p1^, p2^ и p3^.

В Delphi можно объявлять указатель и не связывать его при этом с каким-либо конкретным типом данных. Для этого служит стандартный тип pointer, например:

var p:pointer;

Указатели такого рода называются не типизированными. Поскольку не типизированные указатели не связаны с конкретным типом, с их помощью удобно динамически размещать данные, структура и тип которых меняются в ходе работы программы.

Указателю может быть присвоено "пустое" значение адреса, обозначаемое служебным словом nil. Оператор присваивания p1:=nil; означает, что указатель p1 не ссылается ни на одну динамическую переменную.

Для создания динамических переменных предназначается процедура new(r), где r – типизированный указатель. В результате выполнения этой процедуры в свободной памяти (обозначаемой термином "куча") выделяется ячейка, соответствующая описанию динамической переменной, а в значение указателя заносится адрес выделенной ячейки памяти. После этого в поля динамической переменной могут вводиться требуемые значения.

Для "стирания" динамических переменных используется процедура dispose(r), в результате выполнения которой указатель приобретает значение nil, а участок памяти очищается (выделенная ячейка памяти возвращается в "кучу").

Связи между элементами в более или менее сложных вычислительных структурах обычно иллюстрируются схемами. Каждый объект изображается прямоугольником, разделенным на части, соответствующие полям записи. Рядом приводится обозначение переменной. Ссылки изображаются стрелками. Значения данных записываются в части прямоугольников, отведенных под поля данных.

Вначале рассмотрим графическое изображение элементарных операций. Описание указателей и динамических переменных (здесь и далее) выглядит следующим образом:

type pn=^dp;

dp=record

i:integer;

p:pn

end;

var k, j, n:integer;

q, r, s:pn;

Пусть в памяти машины уже размещены две цепочки динамических переменных r^ r^.p^

r 15 25

q 20 30

q^ q^.p^

1. После выполнения оператора q:=r; указатель q ссылается на ту же переменную, что и r.

r 15 25

r^

q q^

2. После выполнения оператора q^:=r^; (из исходного состояния) на место переменной со значением 20 засылается переменная со значением 15, ссылающаяся на переменную с значением 25.

r 15 25

q 15

3. После выполнения оператора q^.i:=r^.i; (из исходного состояния) на место целого значения 20 заслано значение 15, а поле указателя не изменилось.

r 15 25

q 15 30

4. После выполнения оператора q^.p:=r^.p (из исходного состояния) на место ссылки на переменную с значением 30 засылается ссылка на переменную с значением 25, а поле целого значения не изменилось.

r 15 25

q 20

Указатели можно сравнивать посредством операций = и <>. Логическое выражение q=r имеет значение true в случае а), а в случаях б) и в) – false, так как в этих случаях указатели .q и r указывают на разные динамические переменные, имеющие, правда, равные значения.

Построим список из трех элементов, содержащих целые числа 5, 12 и 8. Значением указателя r в процессе построения всегда будет ссылка на первый элемент уже построенной части списка. Указатель q будет использоваться для выделения с помощью new места в памяти под размещение новых элементов списка. Выполнение оператора r:=nil; приводит к созданию пустого списка. После выполнения операторов:

new(q); q^.i:=8; q^.p:=r; r:=q;

получают список, состоящий из одного элемента, содержащего число 8 в части для данных. Ссылка на этот элемент является значением указателей r и q.

r 8 nil

r^, q^

q

Выполнение операторов new(q); q^.i:=12; q^.p:=r; r:=q; приводит к тому, что в начало этого списка добавляется новый элемент, содержащий число 12.

r 12 8 nil

r^ r^.p^

q q^ q^.p^

После выполнения операторов new(q); q^.i:=5; q^.p:=r; r:=q; добавляющих в начало списка элемент, содержащий число 5, построение списка завершается.

r 5 12 8 nil

r^ r^p^ r^.p^.p^

q q^ q^p^ q^.p^.p^

Значением указателей r и q является ссылка на первый элемент списка. Значение nil поля p элемента, содержащего число 8, является признаком того, что этот элемент последний в списке. Значением переменной r^.p^.i. является целое число 12; значением r^.p^.p – ссылка на третий элемент списка.

Рассмотренный способ построения списка заключается в создании пустого списка и в повторяющемся выполнении ряда однотипных шагов, добавляющих в начало построения списка новые элементы. Это означает, что в общем случае для построения списка можно использовать оператор цикла.

Если значением указателя q является адрес некоторого элемента списка, то оператор q:=q^.p; дает адрес очередного элемента или nil. Пользуясь таким способом перехода от одного элемента к другому, можно просматривать весь список или его часть.

Для включения в имеющийся список нового элемента необходимо вначале указателем q указать элемент списка, после которого должен размещаться новый элемент, а затем выполнить последовательность операторов new(s); s^.i:=j; s^.p:=q^.p; q^.p:=s;. Здесь s – вспомогательный указатель, j – значение нового элемента.

Для исключения из списка элемента, следующего за тем, на который ссылается указатель q, необходимо выполнить последовательность операторов s:=q^p; q^.p:=q^.p^.p; s^.p:=nil;