Vorlesungsmaterial: Adressen und Zeiger (Informatik 1)

Vorlesung Informatik 1 Vorlesung Informatik 1 (Wintersemester 2024/2025) Kapitel 9: Adressen und Zeiger Prof. Dr. Hähner Julian Linne, Henning Cui, Victor Gerling, Neele Kemper Universität Augsburg Fakultät für Angewandte Informatik 11. Dezember 2024 1 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 2 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 3 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.1 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap(int a, int b) { int temp = a; a = b; b = temp; } int x = 21; int y = 9; &x 21 &y 9 &a &b swap(x, y); &x 21 &y 9 &a &b 21 9 int temp = a; a = b; b = temp; &x 21 &y 9 &a &b 9 21 Werte werden übergeben, Kopien werden vertauscht! 4 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.1 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap(int a, int b) { int temp = a; a = b; b = temp; } int x = 21; int y = 9; &x 21 &y 9 &a &b swap(x, y); &x 21 &y 9 &a &b 21 9 int temp = a; a = b; b = temp; &x 21 &y 9 &a &b 9 21 Werte werden übergeben, Kopien werden vertauscht! 4 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.1 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap(int a, int b) { int temp = a; a = b; b = temp; } int x = 21; int y = 9; &x 21 &y 9 &a &b swap(x, y); &x 21 &y 9 &a &b 21 9 int temp = a; a = b; b = temp; &x 21 &y 9 &a &b 9 21 Werte werden übergeben, Kopien werden vertauscht! 4 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.1 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap(int a, int b) { int temp = a; a = b; b = temp; } int x = 21; int y = 9; &x 21 &y 9 &a &b swap(x, y); &x 21 &y 9 &a &b 21 9 int temp = a; a = b; b = temp; &x 21 &y 9 &a &b 9 21 Werte werden übergeben, Kopien werden vertauscht! 4 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.1 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap(int a, int b) { int temp = a; a = b; b = temp; } int x = 21; int y = 9; &x 21 &y 9 &a &b swap(x, y); &x 21 &y 9 &a &b 21 9 int temp = a; a = b; b = temp; &x 21 &y 9 &a &b 9 21 Werte werden übergeben, Kopien werden vertauscht! 4 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.2 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Reference!) 1 2 3 4 5 6 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } swap(&x, &y); &x 21 &y 9 &a &b &temp &x &y temp = *a; &x 21 &y 9 *a &a &x &y &b &temp 21 *a = *b; &x 9 &y 9 *a *b &a &x &y &b &temp 21 *b = temp; &x 9 &y 21 *b &a &x &y &b &temp 21 Adressen werden übergeben, Originale werden vertauscht! 5 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.2 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Reference!) 1 2 3 4 5 6 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } swap(&x, &y); &x 21 &y 9 &a &b &temp &x &y temp = *a; &x 21 &y 9 *a &a &x &y &b &temp 21 *a = *b; &x 9 &y 9 *a *b &a &x &y &b &temp 21 *b = temp; &x 9 &y 21 *b &a &x &y &b &temp 21 Adressen werden übergeben, Originale werden vertauscht! 5 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.2 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Reference!) 1 2 3 4 5 6 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } swap(&x, &y); &x 21 &y 9 &a &b &temp &x &y temp = *a; &x 21 &y 9 *a &a &x &y &b &temp 21 *a = *b; &x 9 &y 9 *a *b &a &x &y &b &temp 21 *b = temp; &x 9 &y 21 *b &a &x &y &b &temp 21 Adressen werden übergeben, Originale werden vertauscht! 5 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.2 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Reference!) 1 2 3 4 5 6 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } swap(&x, &y); &x 21 &y 9 &a &b &temp &x &y temp = *a; &x 21 &y 9 *a &a &x &y &b &temp 21 *a = *b; &x 9 &y 9 *a *b &a &x &y &b &temp 21 *b = temp; &x 9 &y 21 *b &a &x &y &b &temp 21 Adressen werden übergeben, Originale werden vertauscht! 5 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.2 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Reference!) 1 2 3 4 5 6 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } swap(&x, &y); &x 21 &y 9 &a &b &temp &x &y temp = *a; &x 21 &y 9 *a &a &x &y &b &temp 21 *a = *b; &x 9 &y 9 *a *b &a &x &y &b &temp 21 *b = temp; &x 9 &y 21 *b &a &x &y &b &temp 21 Adressen werden übergeben, Originale werden vertauscht! 5 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Einleitung Beispiel 9.2 (Zahlen vertauschen mit Call-by-Reference!) 1 2 3 4 5 6 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } swap(&x, &y); &x 21 &y 9 &a &b &temp &x &y temp = *a; &x 21 &y 9 *a &a &x &y &b &temp 21 *a = *b; &x 9 &y 9 *a *b &a &x &y &b &temp 21 *b = temp; &x 9 &y 21 *b &a &x &y &b &temp 21 Adressen werden übergeben, Originale werden vertauscht! 5 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 6 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Zeiger (Pointer) Datentyp für Adressen Anwendungsgebiete: Änderung von Variablenwerten über Call-by-Reference Dynamische Felder (Anzahl der Komponenten zur Laufzeit änderbar) Bisheriger Einsatz: Bibliotheksfunktionen für Zeichenketten (Datentyp char *), z.B.: char *strcpy(char *s, const char *ct) Übergabe von Variablen, die verändert werden sollen: scanf("%i", &n); Zeiger sind getypt, d.h man muss angeben, welchen Datentyp die Bezugsvariable hat 7 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Zeiger und Bezugsvariable Ein Zeiger ist eine adresswertige Variable, also eine Variable, deren Wert die Speicheradresse einer anderen Variable ist: 1 2 3 int x; int *p; p = &x; p speichert die Adresse von x: &p &x &x p zeigt auf (referenziert) x (oder p ist Zeiger auf x) x ist Bezugsvariable von p. Anschauliche Darstellung mit Pfeil (Zeiger): &p 8 / 107 &x Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Definition 9.3 (Zeiger (Deklaration)) Sei T ein Datentyp. Dann deklariert T *p; einen Zeiger p auf T. Es gilt: p ist adresswertig. Der Typ von p ist T*. p kann nur solche Adressen speichern, an denen ein Wert vom Typ T gespeichert ist. Der Bezugstyp von p ist T. Der Compiler reserviert sizeof(T*) Byte Speicherplatz in aufeinanderfolgenden Speicherzellen zur Aufnahme der Adresse. Dieser Wert ist implementierungsabhängig und unabhängig vom Bezugstyp T. Beispiel int *px, **ppx;: px ist ein Zeiger auf int (Einfachzeiger) ppx ist ein Zeiger auf int* (Doppelzeiger, wird später genauer behandelt) 9 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Doppelzeiger 1 2 3 4 5 int x; int *q; int **p; q = &x; p = &q; q speichert Adresse von x, p Adresse von q: &p &q &x p ist Zeiger auf Zeiger auf int (oder auchDoppelzeiger auf int) 10 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Notation Folgende Notationen sind äquivalent: 1 2 3 int *p; int * p; int* p; Allerdings erzeugt int* p, q einen Zeiger und eine Ganzzahl-Variable Daher guter Stil: int *p, *q; 11 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Zeiger ohne gültige Adresse Nicht initialisierte lokale Zeiger zeigen irgendwohin Nicht initialisierte globale Zeiger zeigen nirgendwohin Nirgendwo wird durch Wert NULL repräsentiert Definition 9.4 (Der Wert NULL) NULL ist eine adresswertige symbolische Konstante. Sie steht dafür, dass ein Zeiger nirgendwohin zeigt / keine Adresse gespeichert hat. Es gilt: NULL kann an Zeiger mit beliebigem Bezugstyp zugewiesen werden. NULL hat eine implementierungsabhängige Codierung. NULL wird in Bedingungen als falsch/false ausgewertet. Jeder andere Adresswert wird in Bedingungen als wahr/true ausgewertet. Darstellung im Speicher: &p 12 / 107 NULL Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Der Adressoperator & liefert die Adresse der ersten Speicherzelle des Speicherbereichs einer Variable also einen adresswertiger Ausdruck vom Typ T* für eine Variable vom Datentyp T Definition 9.5 (Adresswertiger Ausdruck) Sei T ein Datentyp. Dann sind folgende Ausdrücke adresswertige Ausdrücke mit Bezugstyp T: &x für eine Variable x vom Typ T. v für ein Feld v vom Typ T. q für einen Zeiger q mit Bezugstyp T. NULL 13 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Adressen können mit Umwandlungsangabe %p ausgegeben werden (Ausgabeformat ist plattformabhängig): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 int main() { double x; int v[5]; int *p = v; printf("Adresse von x: %p\n", &x); printf("Adresse von v: %p\n", v); printf("Adresse von v: %p\n", p); printf("Adresse von p: %p\n", &p); printf("Adresse von v[4]: %p\n", &v[4]); return 0; } Beachte: Adressen sind nicht automatisch ganze Zahlen! Beachte: Feldnamen und Zeiger sind adresswertig Beachte: Wert eines Zeigers ̸= Adresse eines Zeigers 14 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Definition 9.6 (Wertzuweisung) Ist p ein Zeiger und e ein adresswertiger Ausdruck mit demselben Bezugstyp T, so ist p = e; eine Wertzuweisung an p. Man sagt p wird nach e umgebogen. Beispiel: Umbiegen von Adressen int x, y; int *p = &x; p = &y; &y &y &p 15 / 107 &x &p &x Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Definition 9.6 (Wertzuweisung) Ist p ein Zeiger und e ein adresswertiger Ausdruck mit demselben Bezugstyp T, so ist p = e; eine Wertzuweisung an p. Man sagt p wird nach e umgebogen. Beispiel: Umbiegen von Adressen int x, y; int *p = &x; p = &y; &y &y &p 15 / 107 &x &p &x Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Definition 9.6 (Wertzuweisung) Ist p ein Zeiger und e ein adresswertiger Ausdruck mit demselben Bezugstyp T, so ist p = e; eine Wertzuweisung an p. Man sagt p wird nach e umgebogen. Beispiel: Umbiegen von Adressen int x, y; int *p = &x; p = &y; &y &y &p 15 / 107 &x &p &x Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Beispiel 9.7 (Strenge Typ-Prüfung) int x, *px, **ppx; px = &x; /*px zeigt auf x*/ ppx = &px; /*ppx zeigt auf px*/ ppx = &x; /*Compilerfehler, da ppx kein Zeiger auf int */ double y; px = &y; /*Compilerfehler, da px kein Zeiger auf double */ 16 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Mit dem Dereferenzierungsoperator * kann man auf den an einer Adresse gespeicherten Wert zugreifen. Beispiel: Dereferenzierungsoperator 1 2 3 int x = 5; int *p = &x; ++(*p); Über *p wird Wert der Speicherzelle abgerufen, auf die p zeigt ++(*p) inkrementiert diesen Wert und speichert die Änderung wieder zurück Situation danach: &p &x 6 *p ist ein Alias (anderer Name) für x. 17 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Definition 9.8 (Dereferenzierung) Sei e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp T ungleich NULL. Dann ist *e eine Variable vom Typ T mit Speicheradresse e. Den Operator * nennt man Dereferenzierungsoperator. Achtung Ein Zeiger auf NULL kann nicht dereferenziert werden. Der Versuch führt zu einem Programmabbruch. * ist überladen 18 / 107 1 In Variablen-Deklaration: * zeigt an, dass Zeiger deklariert wird 2 Vor adresswertigem Ausdruck: * dereferenziert den Ausdruck 3 Verwendung zwischen zwei zahlwertigen Ausdrücken: * multipliziert beide Zahlwerte. Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Definition 9.9 (Der Modifikator const (Teil 2)) Seien T ein Datentyp. Mit der Anweisung const T *p; deklariert man einen Zeiger p auf einen konstanten Wert, der keinen schreibenden Zugriff mittels Dereferenzierung *p erlaubt. Der Zeiger kann aber umgebogen werden. T * const p; deklariert man einen konstanten Zeiger p, der nicht umgebogen werden kann. Ein schreibender Zugriff mittels Dereferenzierung *p ist aber möglich. const T * const p; deklariert man konstanten Zeiger auf einen konstanten Wert. 19 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger Beispiel 9.10 (Fehlerquellen (Teil 1)) 1 Zeiger wird dereferenziert, zeigt aber irgendwohin (d.h. er wurde nicht initialisiert) oder nirgendwohin (d.h. er hat den Wert NULL). Beispiel: int *p; *p = 5; /*Zugriff in nicht reservierten Bereich */ 2 Zeiger wird dereferenziert, aber die referenzierte Variable wurde nicht initialisiert. Beispiel: int x; int *p = &x; ++(*p); /*Rechnen mit undefiniertem Wert */ 3 Wertzuweisung an Zeiger mit inkompatiblem Datentyp. Beispiele: int x = 20; double *p = &x; /*Compilerfehler */ int *q = x; /*Compilerfehler */ 20 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 21 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Zeiger auf ein Feld v[2] 1 2 int v[3]; int *p = v; v[1] &p v[0] v *p entspricht v[0] entspricht *v p entspricht &v[0] entspricht v Adressverschiebung 1 2 3 int v[3]; int *p = v; p = p + 1; v[2] v[1] &p v[0] v *p entspricht v[1] entspricht *(v + 1) p entspricht &v[1] entspricht (v + 1) 22 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Zeiger auf ein Feld v[2] 1 2 int v[3]; int *p = v; v[1] &p v[0] v *p entspricht v[0] entspricht *v p entspricht &v[0] entspricht v Adressverschiebung 1 2 3 int v[3]; int *p = v; p = p + 1; v[2] v[1] &p v[0] v *p entspricht v[1] entspricht *(v + 1) p entspricht &v[1] entspricht (v + 1) 22 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Zeiger auf ein Feld v[2] 1 2 int v[3]; int *p = v; v[1] &p v[0] v *p entspricht v[0] entspricht *v p entspricht &v[0] entspricht v Adressverschiebung 1 2 3 int v[3]; int *p = v; p = p + 1; v[2] v[1] &p v[0] v *p entspricht v[1] entspricht *(v + 1) p entspricht &v[1] entspricht (v + 1) 22 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Zeiger auf ein Feld v[2] 1 2 int v[3]; int *p = v; v[1] &p v[0] v *p entspricht v[0] entspricht *v p entspricht &v[0] entspricht v Adressverschiebung 1 2 3 int v[3]; int *p = v; p = p + 1; v[2] v[1] &p v[0] v *p entspricht v[1] entspricht *(v + 1) p entspricht &v[1] entspricht (v + 1) 22 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Zeiger auf ein Feld v[2] 1 2 int v[3]; int *p = v; v[1] &p v[0] v *p entspricht v[0] entspricht *v p entspricht &v[0] entspricht v Adressverschiebung 1 2 3 int v[3]; int *p = v; p = p + 1; v[2] v[1] &p v[0] v *p entspricht v[1] entspricht *(v + 1) p entspricht &v[1] entspricht (v + 1) 22 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Definition 9.11 (Adressverschiebung) Seien e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp T und Wert a ungleich NULL und n ein positiver ganzzahliger Ausdruck. Dann ist e + n ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp T. Sein Wert ist die Adresse a + (n * sizeof(T)) Die Adresse a wird um n-mal den Speicherbedarf des Bezugstyps T verschoben. Achtung Vermeide Adressverschiebung in nicht reservierten Bereich 23 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Die Notationen für Zeiger und Felder entsprechen sich: Definition 9.12 (Notationen für Felder und Zeiger) Seien T ein Datentyp, v ein Feld vom Typ T, p ein Zeiger mit Bezugstyp T und n ein positiver ganzzahliger Ausdruck. Dann entsprechen sich die Notationen in den folgenden Tabellenzeilen: v + n *(v + n) p + n *(p + n) &v[n] v[n] &p[n] p[n] Zeiger und Felder als Eingabeparameter Die Eingabeparameter T v[] und T *v sind gleichbedeutend. In beiden Fällen wird eine Adresse übergeben und in der Funktion mit einem Zeiger gerechnet. 24 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 v+1 p v Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 v+1 p v Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 v+1 p v Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 v+1 p v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 v+1 p v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 v+1 p v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 p v+1 1 v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 p v+1 1 v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 v+2 p v+1 1 v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Mit ++p wird der Zeiger p auf die Adresse der nächsten Feldkomponente umgebogen v+7 v+6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 25 / 107 int main() { int v[8], *p, i; p = v; for (i = 0; i < 8; ++i) { *p = i; ++p; } return 0; } v+5 v+4 v+3 p v+2 2 v+1 1 v 0 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Felder Beispiel 9.13 (Fehlerquellen (Teil 2)) Sei p ein Zeiger mit Bezugstyp T und v ein Feld vom Typ T. Bei der Benutzung von p und v sollten wir auf Folgendes achten: Kein Zugriff auf nicht reservierten Speicherbereich: Beispiel 1: int v[3]; int *p = v; p[3] = 4; Beispiel 2: int x; int *p = &x; ++p; Adressverschiebung nicht mit Operationen auf Dateninhalten verwechseln: Welchen Inhalt hat v nach folgenden Anweisungen: int v[3] = {1, 2, 3}; int *p = v; ++(*p); *(++p) = 4; Man darf Feldeadressen verschieben, aber nicht umbiegen: Beispiel: int v[3]; int *p = v + 1; ++v; 26 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 27 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Schreibweisen für adresswertige Eingabeparameter Kapitel 6 zu Zeichenketten: Schreibweisen char v[] char *v sind für Eingabeparameter v äquivalent. Dies gilt nicht nur für Bezugstyp char, sondern für beliebigen Typ T. Beide Schreibweisen: v Zeiger, über den man nach Call-by-Reference-Prinzip auf Dateninhalt an für v übergebener Adresse zugreifen kann 28 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Definition 9.14 (Adresswertige Eingabeparameter) Sei T ein Datentyp. Hat ein Eingabeparameter v eine der beiden gleichbedeutenden Formen T v[] T *v so ist v ein Zeiger mit Bezugstyp T und wir können für v Adressen mit Bezugstyp T übergeben. Beispiele: Funktionen mit adresswertigen Eingabeparametern Funktionen zur Verwaltung von Feldern Bibliotheksfunktionen zur Verwaltung von Zeichenketten Die Bibliotheksfunktion scanf 29 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference swap Call-by-Value 1 2 3 4 5 6 void swap(int a, int b) { int temp = a; a = b; b = temp; } Aufruf für int x, y: swap(x, y) Call-by-Value ⇒ Kein Tausch möglich swap Call-by-Reference 1 2 3 4 5 6 30 / 107 void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } Aufruf für int x, y: swap(&x, &y) Call-by-Reference ⇒ Tausch klappt Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Übergabe der adresswertigen Konstante NULL Für adresswertige Eingabeparameter kann adresswertige Konstante NULL übergeben werden. Dies führt zu Fehler, wenn in Funktion ohne weitere Überprüfung Dereferenzierung vorgenommen wird. Meiste Bibliotheksfunktionen: keine Überprüfung von übergebenen Werten auf NULL Gleiches Vorgehen für eigene Funktionen: Wenn Aufgabenstellung nichts spezifisch erwähnt, verzichten wir in Funktion auf Überprüfung auf NULL 31 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Beispiel 9.15 (Einlesen einer positiven ganzen Zahl (mit Call-by-Reference)) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 32 / 107 int read_pos_buff_p(int *input) { int status; int c = ’\0’; status = scanf("%i", input); if (status == EOF) return BUFFER_ERROR; if (status == 0 || *input <= 0 || (c = getchar()) != ’\n ’) { if (c == EOF || !flush_buff()) return BUFFER_ERROR; return INVALID_INPUT; } return VALID_INPUT; } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Beispiel 9.16 (Eingabefunktion aufrufen (mit Call-by-Reference)) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 int main(void) { int input, status; do { printf("Gib positive ganze Zahl ein: "); status = read_pos_buff_p(&input); if (status == INVALID_INPUT) printf("Eingabe ungueltig\n"); if (status == BUFFER_ERROR) return 1; } while (status != VALID_INPUT); return 0; } Anmerkung: Jetzt sollte klar sein, wieso an scanf Adressen von Variablen übergeben werden. 33 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Definition 9.17 (Call by Reference - Prinzip (allgemeine Variante)) Sei ein Eingabeparamater p ein Zeiger. Übergibt man für p die Adresse einer Variable x, so kann man in der Funktion über die Dereferenzierung *p lesend und schreibend auf x zugreifen. Übergibt man für p ein Feld v, so kann man in der Funktion über Adressverschiebung und Dereferenzierung lesend und schreibend auf die Feldkomponenten zugreifen. 34 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference Achtung Übergebenen Adressen unterliegen dem Call-by-Value-Prinzip! d. h. ein übergebener Zeiger kann in einer Funktion also nicht umgebogen werden. Soll ein übergebener Zeiger in einer Funktion umgebogen werden, muss auf diesen das Call-by-Reference-Prinzip angewendet werden. d. h. seine Adresse muss als Doppelzeiger an Funktion übergeben werden Details in Unterkapitel 9.7 35 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference 1 #include <stdio.h> 3 void increment(int *n); 5 int main() { int a = 2; increment(&a); printf("%i", a); return 0; } 6 7 8 9 10 ... ... void increment(int *n) { ++(*n); } 12 13 14 Stack Frame 1 36 / 107 Variable anlegen und initialisieren 2 Adresse der Variable übergeben 3 Wert über Dereferenzierung verändern 4 Neuen Wert verwenden 2 von main (Adressen) (Speicherzellen) &a Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference 1 #include <stdio.h> 3 void increment(int *n); 5 int main() { int a = 2; increment(&a); printf("%i", a); return 0; } 6 7 8 9 10 ... Stack Frame &n &a von increment ... 11 void increment(int *n) { ++(*n); } 12 13 14 Stack Frame 1 36 / 107 Variable anlegen und initialisieren 2 Adresse der Variable übergeben 3 Wert über Dereferenzierung verändern 4 Neuen Wert verwenden 2 von main (Adressen) (Speicherzellen) &a Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference 1 #include <stdio.h> 3 void increment(int *n); 5 int main() { int a = 2; increment(&a); printf("%i", a); return 0; } 6 7 8 9 10 ... Stack Frame &n &a von increment ... void increment(int *n) { ++(*n); } 12 13 14 Stack Frame 1 36 / 107 Variable anlegen und initialisieren 2 Adresse der Variable übergeben 3 Wert über Dereferenzierung verändern 4 Neuen Wert verwenden 3 von main 2 (Adressen) (Speicherzellen) &a Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Call by Reference 1 #include <stdio.h> 3 void increment(int *n); 5 int main() { int a = 2; increment(&a); printf("%i", a); return 0; } 6 7 8 9 10 ... ... void increment(int *n) { ++(*n); } 12 13 14 Stack Frame 1 36 / 107 Variable anlegen und initialisieren 2 Adresse der Variable übergeben 3 Wert über Dereferenzierung verändern 4 Neuen Wert verwenden 3 von main (Adressen) (Speicherzellen) &a Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 37 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Wie wir in den Übungen schon gesehen haben, können wir auch Zeichenketten als Feld repräsentieren char w[] = "Joerg"; 38 / 107 w+6 w+5 '\0' w+4 'g' w+3 'r' w+2 'e' w+1 'o' w 'J' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Wie wir in den Übungen schon gesehen haben, können wir auch Zeichenketten als Feld repräsentieren und ebenso wie in Kapitel 9.3 einen Zeiger auf dieses Feld zeigen lassen. w+6 char w[] = "Joerg"; char *p = w; p 38 / 107 w+5 '\0' w+4 'g' w+3 'r' w+2 'e' w+1 'o' w 'J' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Wie wir in den Übungen schon gesehen haben, können wir auch Zeichenketten als Feld repräsentieren und ebenso wie in Kapitel 9.3 einen Zeiger auf dieses Feld zeigen lassen. w+6 char w[] = "Joerg"; char *p = w; In diesem Beispiel haben w und p dieselbe Adresse als Wert. 38 / 107 p w+5 '\0' w+4 'g' w+3 'r' w+2 'e' w+1 'o' w 'J' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Wie wir in den Übungen schon gesehen haben, können wir auch Zeichenketten als Feld repräsentieren und ebenso wie in Kapitel 9.3 einen Zeiger auf dieses Feld zeigen lassen. w+6 char w[] = "Joerg"; char *p = w; p w+5 '\0' w+4 'g' w+3 'r' w+2 'e' w+1 'o' w 'J' Frage: Welche Zeichenkette repräsentiert p nach der Anweisung p = w + 1;? 38 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Wie wir in den Übungen schon gesehen haben, können wir auch Zeichenketten als Feld repräsentieren und ebenso wie in Kapitel 9.3 einen Zeiger auf dieses Feld zeigen lassen. w+6 char w[] = "Joerg"; char *p = w; p = w + 1; p w+5 '\0' w+4 'g' w+3 'r' w+2 'e' w+1 'o' w 'J' Frage: Welche Zeichenkette repräsentiert p nach der Anweisung p = w + 1;? Antwort: p repräsentiert nach dieser Anweisung die Zeichenkette “oerg”. 38 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.18 (Zeichenkette (Version mit Zeigern)) Sei e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp char. Dann deklariert char *p; eine (noch undefinierte) Zeichenkette p. Nach der Wertzuweisung: p = e; repräsentiert p die im Speicher abgelegte Zeichenkette ab der Speicherzelle mit Adresse e bis zur ersten Speicherzelle mit dem Inhalt '\0'. Eine solche Wertzuweisung kann auch in der Deklaration erfolgen. Einige Möglichkeiten zur Deklaration und Wertzuweisung von Zeichenketten: 39 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.18 (Zeichenkette (Version mit Zeigern)) Sei e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp char. Dann deklariert char *p; eine (noch undefinierte) Zeichenkette p. Nach der Wertzuweisung: p = e; repräsentiert p die im Speicher abgelegte Zeichenkette ab der Speicherzelle mit Adresse e bis zur ersten Speicherzelle mit dem Inhalt '\0'. Eine solche Wertzuweisung kann auch in der Deklaration erfolgen. Einige Möglichkeiten zur Deklaration und Wertzuweisung von Zeichenketten: char *p; p = "Joerg"; 39 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.18 (Zeichenkette (Version mit Zeigern)) Sei e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp char. Dann deklariert char *p; eine (noch undefinierte) Zeichenkette p. Nach der Wertzuweisung: p = e; repräsentiert p die im Speicher abgelegte Zeichenkette ab der Speicherzelle mit Adresse e bis zur ersten Speicherzelle mit dem Inhalt '\0'. Eine solche Wertzuweisung kann auch in der Deklaration erfolgen. Einige Möglichkeiten zur Deklaration und Wertzuweisung von Zeichenketten: char *p; p = "Joerg"; 39 / 107 char *p = "Joerg"; Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.18 (Zeichenkette (Version mit Zeigern)) Sei e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp char. Dann deklariert char *p; eine (noch undefinierte) Zeichenkette p. Nach der Wertzuweisung: p = e; repräsentiert p die im Speicher abgelegte Zeichenkette ab der Speicherzelle mit Adresse e bis zur ersten Speicherzelle mit dem Inhalt '\0'. Eine solche Wertzuweisung kann auch in der Deklaration erfolgen. Einige Möglichkeiten zur Deklaration und Wertzuweisung von Zeichenketten: char *p; p = "Joerg"; 39 / 107 char *p = "Joerg"; char w[] = "Joerg"; Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.18 (Zeichenkette (Version mit Zeigern)) Sei e ein adresswertiger Ausdruck mit Bezugstyp char. Dann deklariert char *p; eine (noch undefinierte) Zeichenkette p. Nach der Wertzuweisung: p = e; repräsentiert p die im Speicher abgelegte Zeichenkette ab der Speicherzelle mit Adresse e bis zur ersten Speicherzelle mit dem Inhalt '\0'. Eine solche Wertzuweisung kann auch in der Deklaration erfolgen. Einige Möglichkeiten zur Deklaration und Wertzuweisung von Zeichenketten: char *p; p = "Joerg"; char *p = "Joerg"; char w[] = "Joerg"; Achtung: Zeichenketten im linken und mittigen Beispiel sind konstant! ⇒ Diese können nicht verändert werden! 39 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Achtung: Wertzuweisung zu einer konstanten Zeichenkette char *p; p = "Bye"; p[0] = ’R’; Dieser Code funktioniert nicht, da p auf ein Feld voller Konstanten zeigt, die nicht verändert werden dürfen. Besonderheiten bei Wertzuweisung in Deklarationen char w[] = "Hallo"; w ist konstante Adresse einer w+7 Zeichenkette (++w; erzeugt Compilerfehler) w+5 \0 w+4 o char *p = "Hallo"; p ist variabler Zeiger auf w+3 l w+2 l w+1 a w H konstante Zeichenkette (p[1] = ’e’; lässt Programm abstürzen) 40 / 107 w+6 p Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Achtung: Wertzuweisung zu einer konstanten Zeichenkette char *p; p = "Bye"; p[0] = ’R’; Dieser Code funktioniert nicht, da p auf ein Feld voller Konstanten zeigt, die nicht verändert werden dürfen. Besonderheiten bei Wertzuweisung in Deklarationen char w[] = "Hallo"; w ist konstante Adresse einer w+7 Zeichenkette (++w; erzeugt Compilerfehler) w+5 \0 w+4 o char *p = "Hallo"; p ist variabler Zeiger auf w+3 l w+2 l w+1 a w H konstante Zeichenkette (p[1] = ’e’; lässt Programm abstürzen) 40 / 107 w+6 p Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.19 (Zeichenkettenkonstante) Eine Zeichenkettenkonstante besteht aus einem Wort aus ASCII-Zeichen a1 . . . an , das in Anführungszeichen eingeschlossen ist: "a1 . . . an " Ihre Zeichen liegen im Speicher in aufeinanderfolgenden Speicherzellen. Ihr Wert ist eine Adresse mit Bezugstyp char, und zwar die Adresse der Speicherzelle mit dem ersten Zeichen. Beispiel 9.20 (Zeichenkette mit Adressverschiebung durchlaufen) Unsere eigene, sehr kompakte Version von strcpy Wir verwenden Adressverschiebung und Dereferenzierung Wir verzichten zunächst auf Rückgabewert von strcpy 1 2 3 41 / 107 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.19 (Zeichenkettenkonstante) Eine Zeichenkettenkonstante besteht aus einem Wort aus ASCII-Zeichen a1 . . . an , das in Anführungszeichen eingeschlossen ist: "a1 . . . an " Ihre Zeichen liegen im Speicher in aufeinanderfolgenden Speicherzellen. Ihr Wert ist eine Adresse mit Bezugstyp char, und zwar die Adresse der Speicherzelle mit dem ersten Zeichen. Beispiel 9.20 (Zeichenkette mit Adressverschiebung durchlaufen) Unsere eigene, sehr kompakte Version von strcpy Wir verwenden Adressverschiebung und Dereferenzierung Wir verzichten zunächst auf Rückgabewert von strcpy 1 2 3 41 / 107 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' 'p' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' 'p' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' 'p' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v 42 / 107 s ct Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Schauen wir uns Beispiel 9.20 etwas genauer an. 1 2 3 void my_strcpy(char *s, const char *ct) { while ((*(s++) = *(ct++)) != ’\0’) {} } v+6 w+6 v+5 w+5 '\0' v+4 w+4 's' v+3 w+3 's' v+2 w+2 'a' 'p' v+1 w+1 'p' w 'S' 'S' v s ct Wiederholung bis *ct == '\0' 42 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Entwicklung einer Funktion char * split(char *w, char c) Sucht c in w und überschreibt c mit \0' Gibt Zeiger auf Zeichenkette hinter c zurück Gibt NULL zurück, wenn c nicht in w enthalten ist Beispiel 9.21 (Adresswertige Rückgabe) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 43 / 107 char* split(char *w, char c) { int i = 0; while (w[i] != c && w[i] != ’\0’) ++i; if (w[i] == c) { w[i] = ’\0’; return &w[i + 1]; } else return NULL; } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Entwicklung einer Funktion char * split(char *w, char c) Sucht c in w und überschreibt c mit \0' Gibt Zeiger auf Zeichenkette hinter c zurück Gibt NULL zurück, wenn c nicht in w enthalten ist Beispiel 9.21 (Adresswertige Rückgabe) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 43 / 107 char* split(char *w, char c) { int i = 0; while (w[i] != c && w[i] != ’\0’) ++i; if (w[i] == c) { w[i] = ’\0’; return &w[i + 1]; } else return NULL; } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Definition 9.22 (Adressen als Rückgabewerte) Sei T ein Datentyp. Ist T* der Rückgabetyp einer Funktion, so gibt die Funktion eine Adresse mit Bezugstyp T oder NULL zurück. Ist void* der Rückgabetyp einer Funktion, so gibt die Funktion eine Adresse mit beliebigem Bezugstyp oder NULL zurück. Vor deren Dereferenzierung muss die Adresse einem getypten Zeiger zugewiesen werden. NULL wird üblicherweise zur Anzeige eines aufgetretenen Fehlers verwendet und kann beim Aufrufer zur Fehlerbehandlung verwendet werden. Einige Zeichenkettenfunktionen aus string.h haben den Rückgabetyp char*. char *strcpy(s, ct) char *strcat(s, ct) ... 44 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Zeiger als Rückgabetyp Beispiele aus string.h (unvollständig) char * strcpy(char * s, const char * ct): liefert Adresse von s char *strchr(const char * cs, int c): liefert Adresse des ersten Vorkommens von c in cs bzw. NULL, falls c in cs nicht vorkommt: S6 \0 S5 6 S4 (Rückgabe) S3 1 S2 2 S1 1 . strchr("12.16",’.’); liefert Adresse S3 – also Zeichenkette ".16"! char *strtok(char *s1, const char *s2): zerlegt s1 in Zeichenketten, die durch Zeichen aus s2 begrenzt sind; wiederholter Aufruf für selbe Zeichenkette mit NULL für s1 45 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Zeiger und Zeichenketten Achtung Niemals eine Adresse eines freigegebenen Speicherbereichs zurückgeben! Beispiel 9.23 (Murks mit Rückgabeadressen) 1 2 3 4 6 7 8 9 10 int* murks() { int n = 5; return &n; } int main() { int *p; p = murks(); printf("%d\n", *p); /*Zugriff auf undefinierten Bereich*/ } n liegt im Function Stack Frame von murks Sobald murks verlassen wird, wird Speicher von n freigegeben p enthält dann Adresse von Speicher mit undefiniertem Inhalt 46 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 47 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Größe von Feldern Bisher bei Verwendung von Feldern: Statische Festlegung der Anzahl der Feldkomponenten d.h. zum Zeitpunkt des Compilierens ⇒ Problem: Wie groß wählt man Anzahl? Folgen: Zur Laufzeit maximal so viele Komponenten verwendbar Verschwendung von Speicherplatz wenn man weniger Komponenten braucht Verbesserung: Dynamische Felder Möglichkeit, die Anzahl der Feldkomponenten dynamisch (d.h. zur Laufzeit des Programms) festzulegen 48 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Varianten für dynamische Speicherverwaltung 1 Einmaliges Anlegen eines dynamischen Feldes mit bestimmter Länge, die erst zur Laufzeit feststeht: malloc, calloc 2 Anpassen der Länge eines bereits angelegten dynamischen Feldes, wenn sich zur Laufzeit Speicherbedarf ändert: realloc Vorteile Feldgröße nicht von vornherein durch Obergrenze beschränkt Keine Verschwendung von Speicherplatz Technische Umsetzung Reservierung des Speicherplatzes auf dem Heap o.g. Funktionen geben Adresse des reservierten Speichers zurück Wenn kein Speicher reserviert werden konnte, Rückgabe NULL 49 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Einmaliges Anlegen eines dynamischen Feldes für eine Zeichenkette char *p = malloc((size + 1)* sizeof(char)); if (p != NULL){ /*Dereferenzierung von p */} &p ... p p+1 p+2 p+size malloc erwartet Größe des zu reservierenden Speicherbereichs in Byte Berechnung der Größe des Speicherbereichs: Anzahl der Komponenten · Größe eines Elements Bestimmung der Größe eines Elements systemunabhängig via sizeof malloc gibt Adresse des reservierten Speicherbereichs bzw. NULL zurück 50 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Wie lange ist Reservierung gültig? Im Heap reservierter Speicher ist unabhängig von Gültigkeitsbereichen Speicher muss mit free wieder freigegeben werden, wenn er nicht mehr gebraucht wird → Speicherleck wenn Speicher nicht mehr freigegeben wird Speicherreservierung in Funktion möglich, die Zeiger auf Speicher zurückgibt Beispiel 9.24 (Dynamisches Kopieren von Zeichenketten) 1 2 3 4 5 6 7 char* string_d_copy(const char *ct) { char *copy = malloc((strlen(ct) + 1) * sizeof(char)); if (copy == NULL) return NULL; return strcpy(copy, ct); } Zeile 3: Benötigten Speicherplatz dynamisch reservieren (Platz für ’\0’ nicht vergessen!) Zeilen 4 – 5: Fehlerbehandlung Zeile 6: Kopieren und Adresse zurückgeben 51 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Beispiel: Dynamisches Kopieren von Zeichenketten 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 int main(void) { char * error = string_d_copy("Error"); if (error == NULL) { printf("Speicherfehler\n"); return EXIT_FAILURE; } printf("Zeichenkette: %s\n", error); free(error); return EXIT_SUCCESS; } Zeile 3: Zeichenkette kopieren – in string_d_copy dynamisch reservierter Speicherplatz kann in main weiter benutzt werden Zeilen 4 – 7: Fehlerbehandlung Zeile 9: Freigabe des in string_d_copy dynamisch reservierten Speicherbereichs 52 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Definition 9.25 (malloc-Funktion) Die Funktion void* malloc(size_t size) versucht einen zusammenhängenden Speicherbereich im Heap in der Größe von size Byte zu reservieren, hat den Rückgabewert NULL im Fehlerfall, und gibt die Adresse der ersten Speicherzelle des reservierten Bereichs im Erfolgsfall zurück. Es gilt: Die Rückgabeadresse hat keinen Bezugstyp und muss vor Deferenzierung einem Zeiger mit Bezugstyp zugewiesen werden. Der Speicherbereich ist nicht initialisiert. Der Speicherbereich wird nicht automatisch wieder freigegeben – dies muss durch einen separaten Funktionsaufruf zu free erfolgen. Alternative calloc: Unterschiede zu malloc Initialisiert Speicherbereich zusätzlich mit 0en Zwei Parameter: 1. Anzahl der Elemente, 2. Größe eines Elements 53 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Systemunabhängige Festlegung der Speichergröße mit sizeof Größe des benötigten Speicherplatzes festlegen: für Grund-Datentyp T: malloc(sizeof(T)) für Feld der Länge n vom Typ T: malloc(n * sizeof(T)) Beispiel: Dynamische Speicherreservierung im Speicher int *p; p = malloc(8 * sizeof(int)); H8 Es werden 32 Byte Speicherplatz im Heap reserviert H7 p zeigt auf diesen Speicherplatz H6 Der Wert von p ist die Adresse H1 H5 &p und H1 sind unterschiedliche H4 Adressen H3 p[0] ist eine int-Variable an Adresse H1 p[1] ist eine int-Variable an Adresse H2 54 / 107 H2 &p H1 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Schema zur Anwendung dynamischer Speicherreservierung 1 Speicherreservierung mit Wertzuweisung an Zeiger mit Bezugstyp T (automatische Umwandlung nach T*) T *p = malloc(n * sizeof(T)) 2 Fehlerbehandlung (ein Zeiger auf NULL kann nicht dereferenziert werden!): if (p == NULL){ /*Fehlerbehandlung */} 3 Verwaltung des dynamischen Feldes über Dereferenzierung des Zeigers: p[i] = /*Wertzuweisung */ 4 Nach Benutzung Freigabe des reservierten Speicherplatzes: free(p) 55 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Dynamisch im Heap reservierter Speicherplatz muss explizit wieder freigegeben werden. Dies geschieht nicht automatisch. Definition 9.26 (free-Funktion) Die Funktion free(void *p) gibt einen dynamisch reservierten Speicherbereich, auf den p zeigt, wieder frei. Hat p den Wert NULL, so hat die Funktion keine Auswirkungen. Falls p nicht auf dynamisch reservierten Speicher zeigt, ist das Verhalten undefiniert. Es kann sogar zum Programmabsturz kommen! 56 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Veränderung der Größe des reservierten Speichers mit realloc Wenn zu wenig/zu viel Speicher reserviert wurde: Anpassung der Größe mit realloc Gilt nur für Speicher im Heap! (mit malloc, calloc oder realloc reserviert) Parameter von realloc: 1. Zeiger auf Speicher, 2. neue Größe Rückgabe: Adresse des neuen Speicherbereichs bzw. NULL im Fehlerfall 57 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Beispiel 9.27 (Dynamisches Verlängern von Zeichenketten) 1 2 3 4 5 6 7 char* string_d_cat(char *s, const char *ct) { s = realloc(s, (strlen(s) + strlen(ct) + 1) * sizeof(char) ); if (s == NULL) return NULL; return strcat(s, ct); } Zeile 3: Anpassung des Speicherplatzes (es wird Platz für s, ct und ’\0’ benötigt) Zeilen 4 – 5: Fehlerbehandlung Zeile 6: Verlängern und Adresse zurückgeben 58 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Beispiel: Dynamisches Verlängern von Zeichenketten 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 int main(void) { char * w; char * error = string_d_copy("Error"); w = string_d_cat(error, ": Invalid Input"); if (w == NULL) { printf("Speicherfehler\n"); free(error); return EXIT_FAILURE; } error = w; printf("Zeichenkette: %s\n", error); free(error); return EXIT_SUCCESS; } Zeile 5: Verlängerung Zeichenkette – der in Funktion string_d_cat dynamisch reservierte Speicherplatz kann in main weiter benutzt werden Zeile 13: Freigabe des in string_d_cat dynamisch reservierten Speicherbereichs 59 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Beispiel: Dynamisches Verlängern von Zeichenketten 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 int main(void) { char * w; char * error = string_d_copy("Error"); w = string_d_cat(error, ": Invalid Input"); if (w == NULL) { printf("Speicherfehler\n"); free(error); return EXIT_FAILURE; } error = w; printf("Zeichenkette: %s\n", error); free(error); return EXIT_SUCCESS; } Zeilen 5 – 11: Fehlerbehandlung, inklusive Freigabe von nicht mehr benötigtem Speicherplatz Zeile 5: Adresse kann nicht an error zugewiesen werden, da error dann im Fehlerfall mit NULL überschrieben würde. So entstünde ein Speicherleck, da keine Speicherfreigabe über error mehr möglich wäre (wie sie Zeile 8 erfolgt). 60 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Definition 9.28 (realloc-Funktion) Die Funktion void* realloc(void *p, size_t size) versucht einen dynamisch reservierten Speicherbereich im Heap, auf den p zeigt, auf eine Größe von size Byte anzupassen (zu verkleinern oder zu vergrößern). Es gilt: realloc hat den Rückgabewert NULL im Fehlerfall. In diesem Fall bleiben p und der von p referenzierte Bereich unverändert. realloc gibt die Adresse der ersten Speicherzelle des angepassten Bereichs im Erfolgsfall zurück. Im Falle einer Vergrößerung des Speicherbereichs werden zusätzliche Speicherzellen nicht initialisiert. Vorhandene Daten bleiben erhalten. Im Falle einer Verkleinerung des Speicherbereichs bleibt der Inhalt im verkleinerten Speicherbereich erhalten. Hat p den Wert NULL, so verhält sich realloc wie malloc. Hat size den Wert 0, so verhält sich realloc wie free. 61 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Speichervergrößerung Bei Vergrößerung des Speicherbereichs wird zuerst versucht, bisherigen Bereich zu vergrößern. Falls dies nicht möglich ist, wird an anderer Stelle neuer Bereich ausreichender Größe gesucht. Im Erfolgsfall wird bisheriger Inhalt dorthin kopiert (alter Speicherbereich wird dann freigegeben). Inhalt des zusätzlichen Bereichs ist undefiniert. Speicherverkleinerung Der Inhalt im verkleinerten Speicherbereich bleibt erhalten. Achtung Falls man versucht, nicht dynamisch reservierten Speicherbereich zu vergrößern oder zu verkleinern, ist das Verhalten von realloc undefiniert und es kann zum Programmabsturz kommen. 62 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Definition 9.29 (Speicherleck) Ein Speicherleck ist ein dynamisch reservierter und nicht wieder freigegebener Speicherbereich, der nicht mehr benutzt wird. Speicherlecks sind unbedingt zu vermeiden, da durch sie Speicherplatz verschwendet wird. Im schlimmsten Fall können sie zum Programmabbruch führen, da für ein Programm nicht mehr genügend Speicher vorhanden ist. Dynamisch reservierten Speicherplatz immer freigeben! Wenn man Speicher immer nur reserviert und nicht wieder freigibt, wenn er nicht mehr benötigt wird, kann er schließlich voll werden, was zu schweren Fehlern führt 63 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Dynamische Speicherverwaltung Unterscheidung Statische und Dynamische Felder Statische Felder Konstante maximale Anzahl der Komponenten Speicherreservierung durch Felddeklaration Speicherung im Stack Zugriff nur im eigenen Gültigkeitsbereich Automatische Speicherfreigabe am Ende des Gültigkeitsbereichs Dynamische Felder Variable Anzahl der Komponenten Speicherreservierung durch Funktionsaufruf mit Fehlerüberprüfung Speicherung im Heap Zugriff im ganzen Programm Speicherfreigabe durch den Programmierer Dynamische Speicherverwaltung Speicherreservierung mit malloc oder calloc Änderung der Größe des reservierten Speichers mit realloc Freigabe des reservierten Speicher erforderlich mit free 64 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 65 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.30 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char *a, char *b) { char *temp = a; a = b; b = temp; } Originale 66 / 107 swap_string &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.30 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char *a, char *b) { char *temp = a; a = b; b = temp; } Kopie 66 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.30 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char *a, char *b) { char *temp = a; a = b; b = temp; } Kopie 66 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.30 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char *a, char *b) { char *temp = a; a = b; b = temp; } Vertauschung 66 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.30 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Value?) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char *a, char *b) { char *temp = a; a = b; b = temp; } Originale unverändert! 66 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.31 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Reference) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char **a, char **b) { char *temp = *a; *a = *b; *b = temp; } Originale 67 / 107 swap_string &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.31 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Reference) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char **a, char **b) { char *temp = *a; *a = *b; *b = temp; } Kopie der Adressen 67 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.31 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Reference) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char **a, char **b) { char *temp = *a; *a = *b; *b = temp; } Kopie der Adressen 67 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.31 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Reference) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char **a, char **b) { char *temp = *a; *a = *b; *b = temp; } Vertauschung 67 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.31 (Zeichenketten vertauschen mit Call-by-Reference) 1 2 3 4 5 6 void swap_string(char **a, char **b) { char *temp = *a; *a = *b; *b = temp; } Originale vertauscht! 67 / 107 &x &y &a &b 'x' '\0' 'y' '\0' Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger T **p; p ist ein Zeiger auf T* (T* ist also der Bezugstyp) *p ist ein Zeiger auf T. **p ist eine Variable vom Typ T. p *p **p Programmvariable Vor der Benutzung der Programmvariablen p muss man folgendes machen: Speicher für *p reservieren (statisch oder dynamisch) und initialisieren Speicher für **p reservieren (statisch oder dynamisch) und initialisieren 68 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Definition 9.32 (strtod-Funktion) Die Funktion double strtod(const char *s, char **endp) wandelt den Anfang der Zeichenkette s in double um. Dabei werden Zwischenraumzeichen am Anfang ignoriert. Speichert einen Zeiger auf einen nicht umgewandelten Rest der Zeichenkette s bei *endp, falls endp nicht NULL ist 69 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel: strtod-Funktion Beim Aufruf von strdod wird für endp Adresse eines Einfach-Zeigers übergeben: char *rest; double x = strtod("123.5ab", &rest); &rest '1' &x '.' '5' 'a' 'b' '\0' Abarbeitung strtod: 70 / 107 1 Erkennung Zahl 2 Zeiger auf nicht umgewandelten Rest Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel: strtod-Funktion Beim Aufruf von strdod wird für endp Adresse eines Einfach-Zeigers übergeben: char *rest; double x = strtod("123.5ab", &rest); &rest '1' &x '.' '5' 'a' 'b' '\0' Abarbeitung strtod: 70 / 107 1 Erkennung Zahl 2 Zeiger auf nicht umgewandelten Rest Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel: strtod-Funktion Beim Aufruf von strdod wird für endp Adresse eines Einfach-Zeigers übergeben: char *rest; double x = strtod("123.5ab", &rest); 1.5 &x &rest '1' '.' '5' 'a' 'b' '\0' Abarbeitung strtod: 70 / 107 1 Erkennung Zahl 2 Zeiger auf nicht umgewandelten Rest Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel: strtod-Funktion Beim Aufruf von strdod wird für endp Adresse eines Einfach-Zeigers übergeben: char *rest; double x = strtod("123.5ab", &rest); 1.5 &x &rest '1' '.' '5' 'a' 'b' '\0' Abarbeitung strtod: 70 / 107 1 Erkennung Zahl 2 Zeiger auf nicht umgewandelten Rest Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel: strtod-Funktion Beim Aufruf von strdod wird für endp Adresse eines Einfach-Zeigers übergeben: char *rest; double x = strtod("123.5ab", &rest); 1.5 &x &rest '1' '.' '5' 'a' 'b' '\0' Abarbeitung strtod: 70 / 107 1 Erkennung Zahl 2 Zeiger auf nicht umgewandelten Rest Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Mehrfachzeiger Beispiel 9.33 (string_d_copy mit Doppelzeiger) Implementieren Sie zur Übung eine Funktion int string_dd_copy(char **s, const char *ct) die die Zeichenkette ct kopiert und dafür an der Adresse *s dynamisch Speicherplatz reserviert. Im Fehlerfall soll die Funktion 0 zurückgeben, sonst 1. Wir verwenden den Rückgabewert also nur noch, um den Erfolgs- vom Fehlerfall zu unterscheiden. Beim Aufruf übergeben wir für s die Adresse einer Zeichenkette: char *copy; int status = string_dd_copy(&copy, "Max"); if (status == 0){ /*Fehlerbehandlung */} 71 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 72 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Eindimensionale Felder nicht für jede Anwendung geeignet Beispiel: Temperatur für jeden Tag speichern Speichere für jeden Tag eines Jahres Mittagstemperatur: Bisher: Speichern von Temperaturen als Folge (ti )1≤i ≤365 von Werten für jeden Tag Aber: Für Zugriff über Datumsangabe ungeeignet → Was war die Temperatur am 1. Mai? Bessere Darstellung: Speichere Temperaturen als Tabelle mit 12 Zeilen und 31 Spalten. ⇒ Temperatur lässt sich über jeweilige Monatszeile und Tagesspalte ablesen Gesucht: Geeignete Datenstruktur in C für T . 73 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Eindimensionale Felder nicht für jede Anwendung geeignet Weiteres Beispiel: Lösung linearer Gleichungssysteme Löse lineares Gleichungssystem A · x = b mit Vektoren x = (x1 , . . . , xn ) und b = (b1 , . . . , bm ) und Matrix A = (ai ,j )1≤i ≤m,1≤j ≤n Gesucht: Geeignete Datenstruktur in C für A. Matrixoperationen werden dann als Funktionen in eigener Übersetzungseinheit implementiert Zweidimensionale Datenstrukturen in C Verschiedene zweidimensionale Datenstrukturen für Vektoren und Matrizen Mit statischer oder dynamischer Speicherreservierung Auswahl hängt von Erfordernissen der Anwendung ab 74 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Notationen für Vektoren Vektor (Zeilen-)Vektor v der Länge n: v = (vj )1≤j ≤n oder v = (v1 , . . . , vn ) Durch Transponierung Umwandlung in Spaltenvektor (rechts)   v1  ..  t v = .  vn Einträge vj heißen Koeffizienten von v Operationen auf Vektoren Addition: v + w := (vj + wj )1≤j ≤n Skalarmultiplikation: x · v := (x · vj )1≤j ≤n Vektormultiplikation: v · w t := ∑nj=1 vj · wj 75 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Notationen für Matrizen Matrix Wir betrachten eine Matrix A mit m Zeilen und n Spalten Notation A = (ai ,j )1≤i ≤m,1≤j ≤n oder  a1,1  .. A= . am,1 ... .. . ...  a1,n ..  .  am,n Einträge ai ,j heißen Koeffizienten von A Zeilen und Spalten von A sind jeweils Vektoren A hat m Zeilen (a1,j )1≤j ≤n , . . . , (am,j )1≤j ≤n A hat n Spalten (ai ,1 )1≤i ≤m , . . . , (ai ,n )1≤i ≤m 76 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Notationen für Matrizen Operationen für Matrizen Addition: A + B := (ai ,j + bi ,j )1≤i ≤m,1≤j ≤n Skalarmultiplikation: x · A := (x · ai ,j )1≤i ≤m,1≤j ≤n Vektormultiplikation:  a1,1  .. A · v :=  . am,1 77 / 107 ... .. . ... a1,n v1 ∑nj=1 vj · a1,j   ..   ..  ..  . .  ·  .  :=  n am,n vn ∑j =1 vj · am,j      Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Folgende 4 Datenstrukturen sind zur Darstellung von Matrizen geeignet: Deklaration zweidimensionaler Datenstrukturen 1 Zweidimensionale (statische) Felder: T v[N1 ][N2 ]; 2 Zeiger auf ein Feld: T (*p)[N2 ]; 3 (Statisches) Feld von Zeigern: T *v[N1 ]; 4 Doppelzeiger: T **p; 78 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 79 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung T v[N][M]; Hier wird ein Feld deklariert, dessen Komponenten wieder Felder sind (lies die Deklaration ausgehend von v von innen nach außen): v ist ein Feld mit N Komponenten. Der Compiler reserviert hierfür N * M * sizeof(T) Byte Speicherplatz. v[i] sind jeweils Felder mit M Komponenten (0 ≤ i ≤ N − 1) v[i][j] sind Variablen vom Typ T (0 ≤ i ≤ N − 1, 0 ≤ j ≤ M − 1) v[N-1][M-1] ... v[N-1][1] v[N-1] v[N-1][0] ... ... v[1][M-1] ... v[1][1] v[1] v[1][0] v[0][M-1] ... v[0][1] v, v[0] v[0][0] Programmvariable 80 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Definition 9.34 (2-dimensionales Feld) Seien N1 und N2 positive ganzzahlige Konstanten, T ein Datentyp und k1,1 , . . . , kn1 ,n2 Konstanten vom Typ T mit n1 ≤ N1 und n2 ≤ N2 . Dann deklariert T v[N1 ][N2 ]; (Version ohne Initialisierung) T v[N1 ][N2 ] = {{k1,1 , ..., k1,n2 }, ..., {kn1 ,1 , ..., kn1 ,n2 }}; (Version mit Initialisierung) ein 2-dimensionales Feld v mit den Dimensionen N1 und N2 . Es gilt: Der Compiler reserviert N1 * N2 * sizeof(T) Byte Speicherplatz in aufeinanderfolgenden Speicherzellen. v ist ein Feld mit N1 Komponenten und damit eine adresswertige Konstante. Ihr Wert ist die Adresse der ersten Speicherzelle des reservierten Speicherbereichs. Der Bezugstyp der Adresse ist ein Feld vom Typ T mit N2 Komponenten. Die i-te Komponente v[i-1] ist ein Feld mit N2 Komponenten vom Typ T. v[i-1] ist also auch eine adresswertige Konstante. Ihr Wert ist die Adresse v + (i-1) (diese hat den Bezugstyp T). Auf die j-te Komponente von v[i-1] greift man mit v[i-1][j-1] zu. v[i-1][j-1] ist eine Variable vom Typ T. Mit Initialisierung bekommt v[i-1][j-1] den Wert ki ,j . 81 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Repräsentiere eine Matrix durch ein zweidimensionales Feld T m[N][M]; m[N-1][M-1] ... m[N-1][1] m[N-1] m[N-1][0] N-te Zeile ... ... m[1][M-1] ... m[1][1] m[1] m[1][0] m[0][M-1] ... m[0][1] m, m[0] m[0][0] 2. Zeile 1. Zeile Programmvariable m[i] ist die Adresse der i+1-ten Zeile m[i][j] ist der j+1-te Eintrag der i+1-ten Zeile Der Speicherbereich wird statisch reserviert und kann zur Laufzeit auch nur teilweise benutzt werden 82 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Bei Übergabe eines zweidimensionalen Feldes als Eingabeparameter wird nur die zweite Dimension angegeben (wird für die Adressverschiebung benötigt: Wo beginnt die nächste Zeile?) Aber nicht die erste Dimension (denn nicht alle reservierten Zeilen müssen benutzt werden) Beispiel 9.35 (Funktionen für Matrizen definieren) 1 2 3 4 5 6 7 void matrix_init(int m[][MAX_COLUMNS], int ze, int sp) { int i,j; for(i = 0; i < ze; ++i) { for(j = 0; j < sp; ++j) m[i][j] = rand() % 1000; } } Der Zugriff auf die Matrixeinträge einer Matrix m erfolgt über m[i][j] (in verschachtelten Schleifen mit zwei Zählvariablen) 83 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Ein zweidimensionales Feld muss vor der Benutzung statisch angelegt werden. Für die verwendeten Dimensionen verwendet man symbolische Konstanten (hier: MAX_ROWS, MAX_COLUMNS) Diese Dimensionen stellen Obergrenzen für die Benutzung zur Laufzeit dar Beispielprogramm: Matrix statisch anlegen, mit Zufallszahlen initialisieren und ausgeben (die Matrix-Dimensionen können innerhalb der Obergrenzen MAX_ROWS, MAX_COLUMNS auch zur Laufzeit eingegeben werden) Beispiel 9.36 (Funktionen für Matrizen aufrufen) 1 2 3 4 5 6 7 84 / 107 int main() { srand(time(NULL)); int matrix[MAX_ROWS][MAX_COLUMNS]; matrix_init(matrix,5,7); matrix_print(matrix,5,7); return 0; } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Definition 9.37 (2-dimensionale Felder als Eingabeparameter) Seien T und R Datentypen und N eine positive ganzzahlige Konstante. Mit der Anweisung R f(T a[][N2 ], size_t rows, size_t cols, ...); deklariert man eine Funktion f mit einem Eingabeparameter a für die Übergabe eines 2-dimensionalen Feldes, dessen Komponenten Felder mit N2 Komponenten vom Typ T sind. Eingabeparametern rows und cols für die Übergabe der Anzahlen der tatsächlich benutzten Komponenten des übergebenen Feldes. In der Funktion kann mit der Notation a[i][j] lesend und schreibend auf die Komponenten des übergebenen Feldes zugegriffen werden. Ein 2-dimensionales Feld v vom Typ T mit den Dimensionen n und m (mit m ≤ N2 ) übergibt man mit f(v, n, m, ...) an einen Funktionsaufruf von f. 85 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 86 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Variante 2: Zeiger auf ein Feld Deklaration: T (*p)[N2 ]; p ist ein Zeiger und kein Feld Bezugstyp: Feld mit N2 Komponenten a[N1 -1][N2 -1] ... a[N1 -1] a[N1 -1][0] ... a[0][N2 -1] ... &a 87 / 107 a[0] v a[0][0] Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Definition 9.38 (Zeiger auf ein Feld) Seien N2 eine positive ganzzahlige Konstanten und T ein Datentyp. Dann deklariert T (*p)[N2 ]; einen Zeiger p auf ein Feld mit N2 Komponenten vom Typ T. Es gilt: Der Bezugstyp von p sind Felder mit N2 Komponenten vom Typ T. Dereferenzieren wir, so ist *p damit ein solches Feld. Der Compiler reserviert Speicherplatz für eine Adresse (vom Bezugstyp). Um über p eine Matrix zu verwalten, muss man für diese zuerst statisch oder dynamisch Speicherplatz reservieren. Der Ausdruck p[i-1] ist ein Feld mit N2 Komponenten vom Typ T (für jedes positive ganzzahlige i). Auf die j-te Komponente von p[i-1] greift man mit p[i-1][j-1] zu. 88 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Eine Adresse kann einem Zeiger zugewiesen werden (in einer Wertzuweisung oder Parameterübergabe), wenn ihr Typ dem Bezugstyp des Zeigers entspricht. Einem Zeiger T (*p)[N] kann zugewiesen werden (Bezugstyp: T[N]): der Wert eines anderen Zeigers auf ein Feld gleicher Länge: T (*q)[N]; p = q; eine Feldadresse eines 2-dimensionalen Feldes vom Typ T[N]: T v[M][N]; p = v; Folgerung Die Eingabeparameter T (*p)[N] und T v[][N] sind gleichwertig. In beiden Fällen wird in der Funktion mit einem Zeiger auf ein Feld mit N Komponenten gerechnet. 89 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 90 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Deklaration: T *v[N1 ]; ... v ist ein Feld mit N1 Komponenten v Jede Feldkomponente ist ein Zeiger auf T 91 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung v[rows-1][cols-1] ... Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern v[rows-1][0] Deklaration: T *v[N1 ]; ... v ist ein Feld mit N1 Komponenten Jede Feldkomponente ist ein Zeiger auf T v[1][cols-1] ... v v[1][0] v[0][cols-1] ... v[0][0] 91 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Beispiel 9.39 (Dynamisch Speicherplatz für Matrizen anlegen (Feld von Zeigern)) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 int matrix_create(int *v[], int rows, int cols) { int i; for (i = 0; i < rows; ++i) { v[i] = malloc(cols * sizeof(int)); if (v[i] == NULL) { for (k = 0; k < i; ++k) free(v[k]); return 0; } } return 1; } Zeile 4: Für jede Zeile Speicher reservieren Zeilen 5 – 9: Im Fehlerfall alle bisher reservierten Zeilen freigeben 92 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Beispiel 9.40 (Speicherplatz für Matrizen freigeben (Feld von Zeigern)) 1 2 3 4 5 void matrix_destroy(int *v[], int rows) { int i; for (i = 0; i < rows; ++i) free(v[i]); } Zeilen 3 – 4: Alle Zeilen durchlaufen und freigeben 93 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Definition 9.41 (Feld von Zeigern) Seien N1 eine positive ganzzahlige Konstanten und T ein Datentyp. Dann deklariert T* v[N1 ]; einen Feld v von Zeigern auf T. Es gilt: Der Compiler reserviert N1 * sizeof(T*) Speicherplatz in aufeinanderfolgenden Speicherzellen. v ist ein Feld mit N1 Komponenten und eine adresswertige Konstante. Die i-te Komponente v[i-1] ist ein Zeiger auf T. Über v[i-1] kann man ein (1-dimensionles) Feld vom Typ T verwalten. Dazu muss man zuerst statisch oder dynamisch Speicherplatz für ein solches Feld reservieren. Auf die j-te Komponente von v[i-1] greift man mit v[i-1][j-1] zu. 94 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Gemeinsamer Zugriff auf verschiedene Variablen Gleiche Operationen auf verschiedenen Variablen, indem Variablen über gemeinsames Feld von Zeigern erreichbar gemacht werden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 95 / 107 int *zeigerfeld[LAENGE_ZEIGERFELD]; int a = 1; int b = 2; int c = 3; int i; zeigerfeld[0] = &a; zeigerfeld[1] = &b; zeigerfeld[2] = &c; for (i = 0; i < LAENGE_ZEIGERFELD; i++) { *zeigerfeld[i] *= 10; } for (i = 0; i < LAENGE_ZEIGERFELD; i++) { printf("Variable %c: ", i+97); printf("%i\n", *zeigerfeld[i]); } return 0; Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 96 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Variante 4: Doppelzeiger Deklaration: T **p; p zeigt auf Feld von Zeigern mit einem Eintrag pro Zeile Dieses zeigt wiederum auf Felder mit einem Eintrag pro Spalte a[rows-1][cols-1] ... a[rows-1][0] a+(rows-1) ... &a a+1 a v a[1][cols-1] ... a[1][0] a[0][cols-1] ... a[0][0] 97 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Eine Adresse kann einem Zeiger zugewiesen werden (in einer Wertzuweisung oder Parameterübergabe), wenn ihr Typ dem Bezugstyp des Zeigers entspricht. Einem Zeiger T** p kann zugewiesen werden (Bezugstyp: T*): der Wert eines anderen Zeigers auf T*: T** q; p = q; die Adresse eines Zeigers auf T : T* q; p = &q; eine Feldadresse vom Typ T* (d.h. ein Feld von Zeigern): T* v[N]; p = v; Folgerung Die Eingabeparameter T** p und T* v[] sind gleichwertig. In beiden Fällen wird in der Funktion mit einem Doppelzeiger gerechnet. 98 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 2-dimensionale Felder mit dynamischer Speicherreservierung 1 Doppelzeiger für Zugriff 2 Speicher für erste Dimension (Zeilen) reservieren Als T*-Feld: Speichert jeweils Zeiger auf Feld für Zeile Speicher für zweite Dimension (Spalten) reservieren Als T-Feld: Speichert die Werte der Spalten in dieser Zeile 3 Bei Fehler: bisher reservierten Speicher freigeben → Alle bereits reservierten Zeilen + T*-Feld! 99 / 107 4 Im 2-dimensionalen Feld arbeiten 5 Speicher der zweiten Dimension freigeben 6 Speicher der ersten Dimension freigeben Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Repräsentiere eine Matrix durch einen Doppelzeiger T **m; m Programmvariable ... m[1] m[0] ... m[1][1] m[1][0] ... m[0][1] m[0][0] m[i] ist ein Zeiger auf die i+1-te Zeile (in der Feld-Schreibweise) m[i][j] ist der j+1-te Eintrag der i+1-ten Zeile (in der Feld-Schreibweise) Die Speicherbereiche, auf die die Zeiger m und m[i] zeigen, werden dynamisch reserviert 100 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Repräsentiere eine Matrix durch einen Doppelzeiger T **m; Verwaltungsfunktionen: Speicherplatz reservieren für Matrix mit ze Zeilen und sp Spalten: int **matrix_create(int ze, int sp); Liefert Zeiger auf den reservierten Speicherplatz im Erfolgsfall und NULL sonst Für Matrix reservierten Speicherplatz wieder freigeben: void matrix_destroy(int **m, int ze); Gibt für die Zeiger m und m[i] reservierte Speicherbereiche wieder frei Matrixeinträge ausgeben: void matrix_print(int **m, int ze, int sp); Übergebe die Matrix als Doppelzeiger und die Dimensionen der Matrix Matrixeinträge mit Zufallszahlen initialisieren: void matrix_init(int **m, int ze, int sp); Übergebe die Matrix als Doppelzeiger und die Dimensionen der Matrix 101 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Beispiel 9.42 (Dynamisch Speicherplatz für Matrizen anlegen (Doppelzeiger)) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 int **matrix_create(int ze, int sp) { /* Speicher res. */ int **m, i, k; m = malloc(ze * sizeof(int*)); if (!m) return NULL; /* Fehlerfall */ for (i = 0; i < ze; ++i) { m[i] = malloc(sp * sizeof(int)); if (!m[i]) { /* Fehlerfall */ for (k = 0; k < i; ++k) free(m[k]); /* Speicherlecks vermeiden */ free(m); /* Speicherlecks vermeiden */ return NULL; } } return m; /* Erfolgsfall */ } Schlägt eine der Speicherreservierungen fehl, muss vorher erfolgreich reservierter Speicher wieder freigegeben werden (Zeilen 7 - 10) 102 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 int **matrix_create(int ze, int sp) { /* Speicher res. */ int **m, i, k; m = malloc(ze * sizeof(int*)); if (!m) return NULL; /* Fehlerfall */ for (i = 0; i < ze; ++i) { m[i] = malloc(sp * sizeof(int)); if (!m[i]) { /* Fehlerfall */ for (k = 0; k < i; ++k) free(m[k]); /* Speicherlecks vermeiden */ free(m); /* Speicherlecks vermeiden */ return NULL; } } return m; /* Erfolgsfall */ } m Programmvariable (Zeile 2) 103 / 107 ... m[1] m[0] (Zeile 3) ... m[1][1] m[1][0] (Zeile 6) ... m[0][1] m[0][0] (Zeile 6) Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Beispielprogramm: Matrix dynamisch anlegen, mit Zufallszahlen initialisieren und ausgeben (die Matrix-Dimensionen können auch zur Laufzeit eingegeben werden) 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 104 / 107 void matrix_init(int **m, int ze, int sp) { int i,j; for(i = 0; i < ze; ++i) { for(j = 0; j < sp; ++j) m[i][j] = rand() % 1000; } } int main() { srand(time(NULL)); int **matrix = matrix_create(8,10); /* Speicher res. */ if (!matrix) return 1; /* Fehlerfall */ matrix_init(matrix,8,10); /* Initialisieren */ matrix_print(matrix,8,10); /* Ausgeben */ matrix_destroy(matrix,8); /* Speicher freigeben */ return 0; } Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Beispiel 9.43 (Speicherplatz für Matrizen freigeben (Doppelzeiger)) 1 2 3 4 5 6 void matrix_destroy(int **m, int ze) { /*Speicher freig.*/ int i; for(i = 0; i < ze; ++i) free(m[i]); free(m); } Vor der Freigabe des Speicherbereichs, auf den m zeigt (Zeile 5), müssen die Speicherbereiche, auf die die Zeiger m[i] zeigen (Zeile 4), freigegeben werden Sonst kann man auf diese nicht mehr zugreifen und es entstehen Speicherlecks m Programmvariable ... m[1] m[0] (Zeile 5) 105 / 107 ... m[1][1] m[1][0] (Zeile 4) ... m[0][1] m[0][0] (Zeile 4) Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung 9. Adressen und Zeiger 9.1 Einleitung 9.2 Zeiger 9.3 Zeiger und Felder 9.4 Call by Reference 9.5 Zeiger und Zeichenketten 9.6 Dynamische Speicherverwaltung 9.7 Mehrfachzeiger 9.8 Matrizenrechnung Variante 1: 2-dimensionale statische Felder Variante 2: Zeiger auf ein Feld Variante 3: (Statisches) Feld von Zeigern Variante 4: Doppelzeiger Variante 5: Einfachzeiger 106 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg Adressen und Zeiger Vorlesung Informatik 1 Matrizenrechnung Repräsentiere eine Matrix mit n Zeilen und k Spalten durch einen Einfach-Zeiger auf Speicherbereich mit n * k * sizeof(T) Byte T *m = malloc(n * k * sizeof(T)); m[(n-1) * k + (k-1)] ... m[(n-1) * k + 1] m[(n-1) * k + 0] n-te Zeile (k Einträge) ... m[1 * k + (k-1)] ... m[1 * k + 1] m[1 * k + 0] m[0 * k + (k-1)] ... m[0 * k + 1] m[0 * k + 0] m 2. Zeile (k Einträge) 1. Zeile (k Einträge) Programmvariable m[i * k + j] ist der j+1-te Eintrag der i+1-ten Zeile Der Speicherbereich wird dynamisch reserviert 107 / 107 Prof. Dr. Jörg Hähner, Universität Augsburg

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