ARCHIV

C/C++ (9) - Pole

Dnes se zaměříme na jednoduchou datovou strukturu - pole. Probereme také vztah mezi poli a ukazateli a dojde i na oblíbené programátorské chyby.

9.12.2004 13:00 | Jan Němec | Články autora | přečteno 103334×

Pole

Používat proměnné už umíme. Definovat jednoduchou proměnnou, přiřadit do ní hodnotu a někdy později ji zase načíst není nic těžkého. Dnes si ukážeme, jak lze jednou definicí vytvořit proměnných více a jak k nim budeme přistupovat. Pokud chceme takto hromadně definovat nějaký počet proměnných určitého typu, napíšeme

typ jméno[číslo];

například

int a[10];

Překladač vyhradí souvislý kus paměti pro deset proměnných typu int. Tato konstrukce se nazývá pole. Velikost pole musí být známa již v době překladu, nelze tedy psát třeba

int a[n];

kde n je obyčejná proměnná. K jednotlivým proměnným lze přistupovat pomocí indexu v hranatých závorkách, například

a[0] = 5;
a[7] = a[1] + 15;

Index pole (narozdíl od velikosti pole v definici) nemusí být konstanta, takže pokud třeba chceme vyplnit pole tak, aby na pozici i bylo číslo 2*i, nebudeme otrocky psát

int a[10];
a[0] = 0;
a[1] = 2;
a[2] = 4;
/* ... */
a[9] = 18;

ale použijeme for cyklus

int i;
int a[10];
for (i = 0; i < 10; i++)
  a[i] = 2 * i;
 

Všimněte si, že pole velikosti n má prvky od na pozicích od 0 do n - 1. Oblíbenou chybou je přístup k prvku na pozici n. Je to chyba o to nebezpečnější, že jazyk C nekontroluje meze polí, z hlediska překladače je tedy zcela v pořádku příkaz

int a[10];
a[10] = 20;

a přeloží se jako "do paměti těsně za pole a vlož číslo 20 se všemi důsledky, které to bude mít". Za polem a může být volné místo, jiná proměnná, adresa kódu po návratu z funkce, případně i paměť, do které nemáme právo psát atd. Chování takového programu pak závisí na platformě, překladači a někdy i na náhodě. Známé chyby spojené někdy až s vykonáním nepřátelského kódu jsou obvykle právě důsledky špatného hlídání mezí polí v programu. Útočník (například přes Internet) zadá programu delší vstup, než je velikost připraveného pole, a díky programátorské chybě nebude tento vstup odmítnut nebo zkrácen. Do vstupu přidá kus kódu pro daný procesor a nakonec i přepíše adresu pro návrat z funkce na tento kód. Výše uvedený postup samozřejmě závisí na architektuře napadeného počítače a nemusí být ve všech případech možný.

Podobně jako běžnou proměnnou lze i pole inicializovat již při definici.

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
 /* nebo i */
int b[5] = {1, 2};

Inicializačních hodnot může být méně než je velikost pole. V tom případě se naplní začátek pole a zbývající hodnoty nejsou definovány.

Běžným příkladem pro začínající programátory, který ukazuje praktickou použitelnost pole je třídění.

 /* Nesetříděné pole*/
int a[10] = {8, 4, 2, 5, 0, 9, 7, 6, 3, 1};
int i, j, m, tmp;

for (i = 0; i < 9; i++) {
  /* Najdi minimum nesetříděné části pole */
  m = i;
  for (j = i + 1; j < 10; j++)
    if (a[m] > a[j]) m = j;
  /* v a[m] je minimum, prohoď a[m] a a[i] */
  tmp = a[i];
  a[i] = a[m];
  a[m] = tmp;
}

Prvkem pole může být jakýkoli typ. Tím typem může být opět pole, takže lze vytvářet nejen pole např. intů ale i pole polí intů. Říká se tomu vícerozměrné pole. Takové pole pak má dva indexy.

int matice[6][3];
int i, j;

for (i = 0; i < 6; i++)
  for (j = 0; j < 3; j++)
    matice[i][j] = i + j;
 

Lze samozřejmě vytvářet i tří a vícerozměrné pole. Statická inicializace vícerozměrného pole se provádí stejně jako u jednorozměrného. Dvourozměrné pole reprezentující funkci xor by vypadalo asi takhle:

int xor[2][2] = {{0, 1}, {1, 0}};

Norma C zaručuje, že prvky pole následují v paměti bezprostředně za sebou. Toho lze u vícerozměrných polí využít k různým způsobům indexace jednoho prvku. Při definici

int matice[6][3];

se vyhradí místo pro šest tříprvkových polí intů, souvislý kus paměti o velikosti 6 * 3 * sizeof(int) bytů. Díky toleranci C a absenci kontroly mezí polí pak můžeme třeba místo matice[1][0] psát matice[0][3]. Výraz matice[0][3] znamená první int za polem matice[0], tedy první int pole matice[1], tedy matice[1][0]. Vícerozměrné pole tak můžeme adresovat jen pomocí posledního indexu, v konkrétních příkladech to může být (zejména z důvodů efektivity) výhodnější.

Pole a ukazatele

V Céčku je pole do značné míry kompatibilní s ukazatelem. Identifikátor pole bez indexu v hranatých závorkách se chová jako konstantní ukazatel na první prvek pole. Konstantní ukazatel znamená ukazatel, jehož hodnotu nelze měnit, lze však měnit obsah paměti, na niž ukazuje. Typ ukazatele je stejný jako typ prvků pole.

int i[3]; /* pole tří intů */
int *pi;  /* ukazatel na int */

pi = i;  /* pi míří na začátek pole, tedy na i[0] */
*pi = 1; /* totéž, jako i[0] = 1; */

Naopak neprojde

i = pi;

neboť pole samo (nikoliv jeho obsah) je konstantní. Kompatibilita polí a ukazatelů je obousměrná, k ukazateli lze přistupovat jako k poli.

pi[2] = 5;
printf("%i\n", pi[2]);

Podmínkou samozřejmě je, že ukazatel míří na nějakou paměť, k níž máme přístup.

Počítání s ukazateli

S ukazateli lze provádět některé aritmetické operace. Lze k němu přičíst nebo od něj odečíst nějaké číslo, dva ukazatele stejného typu lze také porovnávat a odečítat.

int i;
char *s = "linuxsoft.cz";
 /* s teď ukazuje na písmeno 'l'*/
char *p = s + 4;
 /* přičtení čísla k ukazateli, p míří o čtyři znaky dál, tedy na 'x' */
p--;
 /* totéž jako p = p - 1 nebo jako p -= 1, teď míří p na 'u' */
i = p - s;
 /* Rozdíl dvou ukazatelů, o kolik prvků se liší. V i bude 3 */
if (p <= s) puts("Něco nefunguje.");
 /* Porovnání ukazatelů, který ukazuje na vyšší paměť? Lze použít všechny
   porovnávací operátory včetně == */

Je důležité vědět, že celá ukazatelová aritmetika počítá s jednotkami velikosti typu ukazatele a nikoli s byty. Například ukazatel na int zvětšený v Céčku o jedničku míří do paměti o sizeof(int) výše a nikoli na druhý byte původního intu. Podobně rozdíl dvou ukazatelů typu int * mířících na dva sousední prvky pole intů (takže faktický rozdíl v paměti je sizeof(int) bytů) nebude sizeof(int), ale jedna.

Díky kompatibilitě ukazatelů a polí si může programátor vybrat, jakým stylem bude psát. Přístup k paměti v syntaxi pole je určitě přehlednější, ale přístup přes ukazatele může za určitých okolností vést k efektivnějšímu kódu. Týká se to zejména překladačů se špatnou optimalizací nebo složitějších algoritmů.

Vynulovat pole můžeme dvěma způsoby:

int a[10];
int i;
for (i = 0; i < 10; i++)
  a[i] = 0;

nebo

int a[10];
int *p, *pkonec;

 /* do pkonec dej ukazatel za pole */
pkonec = a + 10;
p = a;
 /* dokud p míří na adresu, která není za polem, do *p dej nulu a zvětši
   p o jeden prvek (respektive o sizeof(int) bytů) */
while (p < pkonec) *p++ = 0;

První způsob řešení je určitě přehlednější.

Pokračování příště

Příště se podíváme na uživatelský vstup a řetězce.

Verze pro tisk