Puntatori INFORMATICA • I puntatori sono variabili che contengono indirizzi di memoria. • Sono specificati tramite l’operatore unario ‘*’ specificato accanto al nome della variabile. • Sintassi: <tipo> ‘*’ <identificatore> • Per ogni tipo di variabile “puntata ”, esiste un “tipo ” diverso di puntatore: Puntatori e memoria dinamica - Esempi: int x; int *px; /* puntatore a un intero breve */ double y; double *py; /* puntatore a un double */ © Piero Demichelis Puntatori: esempio Puntatori • Gli operatori ‘*’ e ‘&’ sono uno l’inverso dell’altro Indirizzi int x=5, *px; … px = &x; x 2 5 - L’applicazione consecutiva in qualunque ordine ad un puntatore fornisce lo stesso risultato • *&px e &*px sono la stessa cosa! 10016 • In termini di operatori: - ‘*’= operatore di indirezione • Opera su un indirizzo • Ritorna il valore contenuto in quell’indirizzo dopo quel frammento di programma px contiene l’indirizzo di x (cioè 10016). Pertanto x e *px sono la stessa cosa! - ‘&’ = operatore di indirizzo px 10016 • Opera su una variabile • Ritorna l’indirizzo di una variabile 28104 • Quindi: *(&px): il contenuto della cella che contiene l’indirizzo di px &(*px): l’indirizzo della variabile puntata da px Memoria © Piero Demichelis 3 © Piero Demichelis 4 Puntatori Puntatori • Esempio: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> • Nelle istruzioni di I/O per i puntatori è definito un apposito descrittore di campo, %p, il quale converte in un intero esadecimale la variabile a cui è riferito. int main() { int a, *aptr; a = 256; aptr = &a; • Questo descrittore può essere usato sia con la scanf che con la printf, tuttavia la sua utilità in input è riservata a casi particolarissimi di accesso diretto a specifiche locazioni di memoria. printf ("\nIl valore di a è %p", a); /* valore di a in Hex. */ printf ("\nIl valore di *aptr è %p", *aptr); /* valore di a in Hex*/ printf ("\n&*aptr = %p ----- *&aptr = %p", &*aptr, *&aptr); /* indirizzo di a */ } • In output invece può essere utilizzato per visualizzare l’indirizzo di memoria delle variabili. © Piero Demichelis 5 Operazioni sui puntatori - Sottrazione tra due puntatori (NON la somma) dello stesso tipo • Sui puntatori sono definite solo alcune operazioni: - Incremento/decremento px--; double *px, *py; px – py /* è un operazione lecita e produce un risultato intero (quanti elementi ci sono tra i due indirizzi) */ /* sono operazioni lecite */ - Confronto tra puntatori dello stesso tipo - Somma/sottrazione di un valore intero int *px px += 3; 6 © Piero Demichelis Operazioni sui puntatori int *px; px++; /* indirizzo di a */ /* indirizzo di a */ printf (“\nL'indirizzo di a è %p", &a); printf ("\nIl valore di aptr è %p", aptr); int *px, *py; px -= 5; px == py /* sono operazioni lecite */ - Assegnazione di un puntatore ad un altro dello stesso tipo int *px, *py; px = py; px != py px > py /* sono operazione lecite */ • Confronto tipico: px == NULL /* è un operazione lecita */ © Piero Demichelis 7 © Piero Demichelis 8 Operazioni sui puntatori: errori tipici Aritmetica dei puntatori • L’assegnazione di un valore a un puntatore è permessa, ma è sconsigliata. int *px; px = 5; • Le operazioni sui puntatori non avvengono secondo l’aritmetica intera ma dipendono dal tipo a cui si fa riferimento. /* L’accesso a quella cella potrebbe essere vietato! */ • Incremento/decremento di un puntatore: • Sottrarre o confrontare puntatori di tipo diverso. - Il risultato è ottenuto moltiplicando il valore dell’incremento o decremento per la dimensione (numero di byte) del tipo cui si fa riferimento. - Unica eccezione: uso di puntatori void* che sono considerati come dei puntatori “jolly”. - Esempio: int *px; /* assumiamo che px sia uguale a 1000 */ px += 3; px non vale 1003, bensì: 1000 + 3*sizeof(int) = 1006 • Usare l’aritmetica dei puntatori su puntatori che non si riferiscono ad un vettore. - Gli operatori relazionali (<,>, etc.) hanno senso solo se riferiti ad un “oggetto” comune. © Piero Demichelis 9 Aritmetica dei puntatori 10 Aritmetica dei puntatori: Esempi • Sottrazione tra puntatori: long *p1, *p2; int j; char *p3; - Il risultato corrisponde al numero di elementi del tipo cui si fa riferimento compresi tra i due puntatori. - Esempio: p2 = p1 + 4; j = p2 - p1; j = p1 - p2; p1 = p2 - 2; p3 = p1 - 1; j = p1 - p3; int *px, *py, diff; /* assumiamo che px sia uguale a 1012 e py uguale a 1000 */ diff = px – py; © Piero Demichelis diff non vale 12, bensì: (1012-1000)/sizeof(int) = 6 /* legittimo: p2 = p1 + (4*sizeof(long)) */ /* a j viene assegnato 4 */ /* a j viene assegnato − 4 */ /* OK, i tipi dei puntatori sono compatibili */ /* NO i tipi dei puntatori sono diversi */ /* NO i tipi dei puntatori sono diversi */ • NOTA: l’aritmetica dei puntatori dipende dalla macchina - Quanti byte occupa un puntatore? - TurboC puntatore = 2 byte © Piero Demichelis 11 © Piero Demichelis 12 Puntatori e vettori Puntatori e vettori: analogie • La relazione tra puntatori e vettori in C è molto stretta. • L’analogia tra puntatori e vettori si basa sul fatto che, dato un vettore a[ ] • Il nome di un vettore rappresenta l’indirizzo del primo elemento del vettore stesso! a[i] e *(aptr+i) sono la stessa cosa! - Esempio: • int a[8], *aptr; • L’assegnazione aptr = a; fa puntare aptr al primo elemento del vettore a (cioè a[0]). aptr • Pertanto ci sono almeno due modi per accedere al generico elemento i del vettore: - Usando il nome del vettore (tramite indice) - Usando un puntatore (tramite scostamento o offset) a[0] a[1] a[2] a[3] a[4] a[5] a[6] a[7] ..... ..... • Interpretazione: aptr = a - aptr + i = indirizzo dell’elemento che si trova i posizioni dall’inizio - *(aptr + i) = contenuto di questo elemento a © Piero Demichelis 13 Puntatori e vettori: analogie © Piero Demichelis 14 Puntatori e vettori: analogie for (i = 0; i < 5; i++) { /* legge i valori da inserire nel vettore */ printf ("\nInserisci a[%d] = ", i); scanf ("%d", &a[i]); } /* visualizza il vettore */ for (i = 0; i < 5; i++) /* in modo “normale” */ printf ("\nValore di a[%d] = %d", i, a[i]); • Esempio: il programma che segue riempie un vettore di 5 elementi leggendone i valori da tastiera e successivamente lo visualizza due volte; la prima in modo tradizionale, la seconda utilizzando un puntatore a_ptr. #include <stdio.h> #include <stdlib.h> a_ptr = a; for (i = 0; i < 5; i++) /* utilizzando un puntatore (modo A) */ printf ("\nValore di a[%d] = %d", i, a_ptr[i]); int main() { int a[5], *a_ptr; int i; /* utilizzando un puntatore (modo B) */ for (i = 0; i < 5; i++) printf ("\nValore di a[%d] = %d", i, *(a_ptr+i)); } © Piero Demichelis 15 © Piero Demichelis 16 Puntatori e struct Puntatori e stringhe • Il C fornisce uno speciale operatore ( l’operatore freccia: ->) per accedere ai membri di una struttura tramite un puntatore alla struttura stessa: • Stringa è un vettore di char terminato da ’\0‘. • La relazione tra puntatori e stringhe è sostanzialmente identica a quella con vettori generici. • Differenza: - Utile per passaggio di struct per indirizzo! - char *p = “abcd”; - char s[5] = “abcd”; p 2200 2201 ... 1000 1001 1002 1003 1004 ‘a’ ‘b’ ‘c’ ‘d’ ‘\0’ s 6400 6401 6402 6403 6405 6400 • Esempio: struct complex { double re; double im; } complesso, *pc; ‘a’ ‘b’ ‘c’ ‘d’ ‘\0’ © Piero Demichelis 17 Puntatori e struct Puntatori e struct: Esempio struct complex { double re; double im; }; • Come abbiamo visto a suo tempo si accede ai campi con complesso.re, complesso.im • Utilizzando il puntatore alla struttura, agli stessi campi si accede con typedef struct complex complesso; pc->re, pc->im /* Funzione add_cplx: somma due numeri complessi: a = b + c naturalmente dopo aver assegnato l’indirizzo di complesso a pc! */ void add_cplx (complesso *a, complesso *b, complesso *c) { a->re = b->re + c->re; a->im = b->im + c->im; } pc = &complesso; • NOTA: come già detto a proposito dei vettori, pc->re e (*pc).re sono equivalenti. © Piero Demichelis 18 © Piero Demichelis 19 © Piero Demichelis 20 Gestione della memoria Gestione della memoria • Fino ad ora abbiamo sempre dichiarato variabili di dimensioni note, e la cui durata in vita è vincolata alle regole di esecuzione di un programma scritto in linguaggio C. • Per usare, ad esempio, un vettore, è necessario specificarne la dimensione in fase di definizione. • La dichiarazione, per esempio, int peso [100]; • Ad esempio una variabile dichiarata nel main vive per tutta la durata del programma; una variabile dichiarata in una funzione vive solo per la durata dell’esecuzione della funzione, se la funzione viene richiamata un’altra volta la stessa variabile di prima viene creata di nuovo e vivrà solo per la durata di quell’esecuzione. • alloca un vettore di cento interi, che, a seconda di dove avviene la definizione, vive per la durata della funzione in cui viene definito (variabile automatica) o per tutta la durata del programma. • Questo implica che si conosca in anticipo e con precisione, (a compile-time, si dice, o in pratica quando si scrive il programma) il numero dei dati da trattare. • Le variabili così definite, siano esse variabili semplici oppure vettori oppure ancora altre strutture dati, si dicono variabili statiche. © Piero Demichelis • 21 © Piero Demichelis Gestione della memoria Gestione della memoria E se invece non se ne conosce la dimensione? • Esempio #2: si supponga di dover leggere e registrare in memoria (ad esempio, in un vettore) dati da un file di dimensioni ignote; si può ipotizzare (ma è un ipotesi come un'altra!) che i dati non superino un numero molto grande, per esempio un milione. In pratica si ricorre alla sovra-allocazione : si dimensiona la variabile (ovvero il vettore) in maniera tale da contenere il più grande numero immaginabile di dati in ingresso. • Esempio #1: acquisendo linee di testo da tastiera, si può ipotizzare (ma è un ipotesi come un'altra!) che le linee non superino mai i 100 caratteri. • E se una linea supera quel limite? Si può al più mandare un messaggio d'errore all'utente ma gestire quell’errore all’interno del programma è quasi sempre complicato. © Piero Demichelis 22 • Questo caso è ancora più grave di quello prospettato nell’esempio #1, in quanto questa situazione anomala non è praticamente mai gestibile nel programma e anche l’eventuale segnalazione all’utente del problema non conduce a nessuna contromisura efficace. • Certo, si possono scrivere messaggi di errore a schermo, ma di fatto è un fallimento del programma di fronte a dati perfettamente legittimi. 23 © Piero Demichelis 24 Gestione della memoria Gestione della memoria Cosa si può fare? • Esempio: leggendo dei record da un file posso richiedere, prima di ogni lettura, l’allocazione di uno spazio di memoria grande a sufficienza per contenere i dati che leggerò. • Per risolvere il problema molti linguaggi ad alto livello consentono di allocare memoria secondo il bisogno che emerge al momento dell'esecuzione del programma. … while (!feof(fp)) { • Questa opportunità è nota col nome di alloca memoria per un record; fscanf (fp, …); … allocazione dinamica della memoria /* leggi il record */ } • La dimensione della variabile viene decisa a run-time (cioè, al momento dell'esecuzione del programma) a seconda del numero di dati in ingresso. © Piero Demichelis • Ad ogni ciclo si incrementa lo spazio di memoria riservato alla mia base dati! 25 Memoria dinamica record 1 ptr2 record 2 • Resta ancora da definire quanto grande deve essere lo spazio di memoria che deve essere richiesto. • Dal momento che tutti gli oggetti di un certo tipo occupano esattamente lo stesso spazio di memoria, possiamo determinare con precisione lo spazio di memoria (il numero di byte) necessario a ospitare i dati. • Per conoscerne con precisione la quantità basta usare l'operatore sizeof il quale restituisce il numero di byte che occupa il tipo di dato, o la struttura dati, indicata quale parametro tra le parentesi. ecc. © Piero Demichelis 26 Memoria dinamica • Come funziona il meccanismo? Tramite puntatori! Ogni volta che richiedo una nuova area di memoria mi viene restituito un puntatore all’area di memoria che mi è stata assegnata. ptr1 © Piero Demichelis 27 © Piero Demichelis 28 Memoria dinamica Memoria dinamica • L'operatore sizeof può agire o su un tipo, ad esempio, • Ecco alcuni esempi di applicazione di sizeof nell’ipotesi che gli oggetti di tipo short occupino 2 byte e quelli di tipo long 4 byte. sizeof (double) o su una variabile, un vettore, un’espressione, una struct, ad esempio, sizeof (char) sizeof (long int) short s; ...sizeof (s) short s; ...sizeof (s + 24) sizeof (vettore_dati) in ogni caso restituisce un intero corrispondente al numero di byte occupato dall’argomento. Per definizione, sizeof applicato al tipo char restituisce 1. (il risultato dell’addizione è di tipo int) ! long int vett[10]; ...sizeof (vett) double num_real; ... sizeof (num_real) double vett_r [20]; ... sizeof (vett_r) • Non può essere applicato a vettori incompleti (senza indicazione della dimensione), a funzioni, o al tipo void. © Piero Demichelis 1 4 2 2 29 Memoria dinamica 40 8 160 © Piero Demichelis 30 Memoria dinamica • Programma di esempio per determinare le dimensioni dei principali tipi di dati C: • Quando sizeof è applicato ad un' espressione, l'espressione è analizzata al momento della compilazione per determinare lo spazio occupato, ma non è valutata. #include <stdio.h> • Per esempio, l'esecuzione di: int main() { printf ("\t Dimensione dei tipi:\n"); printf ("char \t short \t int \t long \t float \t double \n"); printf ("%3d \t %3d \t %3d \t %3d \t %3d \t %3d\n", sizeof (char), sizeof (short), sizeof (int), sizeof (long), sizeof (float), sizeof (double) ); } © Piero Demichelis sizeof (j++) non provocherà l’incremento di j, ma verrà valutata solamente la dimensione in byte del risultato. 31 © Piero Demichelis 32 Memoria dinamica Memoria dinamica • Per ottenere l’allocazione di spazio in memoria sono disponibili delle funzioni di libreria. • Quando un programma richiede l’allocazione di un certo spazio di memoria, il sistema verifica l’esistenza di uno spazio di celle contigue disponibile pari a quello richiesto e, se lo trova, lo occupa e ne restituisce l’indirizzo al chiamante (puntatore alla memoria). • Permettono ad un programma di richiedere anche ripetutamente l'allocazione di una regione “fresca ” di memoria e di deallocarla più tardi (liberarla) se tale regione non serve più. • Questo puntatore sarà di tipo void *, ma è garantito che sia adeguatamente allineato per qualsiasi tipo di dati. E’ necessario che il chiamante faccia un cast per convertirlo nell’opportuno tipo di puntatore (int, double, ecc.). • Regioni esplicitamente deallocate sono riciclate dallo storage manager del sistema operativo per soddisfare ulteriori richieste del programma corrente o di un qualunque altro programma che faccia richiesta di allocazione di memoria. © Piero Demichelis • Le funzioni sono dichiarate nell'header file <stdlib.h>. 33 © Piero Demichelis Funzione malloc Funzione malloc • Esempio: • La creazione di una variabile dinamica avviene prelevando dalla memoria un blocco di dimensione opportuna tramite una funzione di allocazione (malloc). … int dimension = 50; char *stringa; … stringa = (char *) malloc (dimension * sizeof (char)); if (stringa == NULL) { printf ( “\nErrore: memoria non disponibile”); return ; } strcpy (stringa, “questa e’ una stringa”); printf (“\n%s”, stringa); … • Prototipo della funzione: void *malloc (unsigned int dimensione); • La funzione restituisce un puntatore a void (puntatore a memoria non strutturata) oppure il valore NULL se l'operazione di allocazione non ha avuto successo (ad esempio per mancanza di memoria disponibile). • Per utilizzare correttamente l'area allocata occorre effettuare un'operazione di cast del puntatore verso il tipo di dato a cui l’area è destinata. © Piero Demichelis 34 35 © Piero Demichelis 36 Memoria dinamica Memoria dinamica #include <stdio.h> #include <stdlib.h> • Una prima soluzione al problema della definizione della lunghezza dei vettori ignota al momento della scrittura del programma può pertanto trovare soluzione, purché l’utente sia in grado di fornirla all’avvio del programma. int main() { int *punt, i, num_el; • Esempio: programma che richiede il numero di elementi interi da leggere, alloca lo spazio in memoria, legge gli elementi e infine li visualizza. /* richiede il numero di elementi del vettore printf ("\nNumero di elementi da leggere: "); scanf ("%d", &num_el); • Simile a: programma che richiede il numero di elementi interi da leggere, li legge e li salva in un vettore e infine li visualizza. © Piero Demichelis */ /* richiede l’allocazione di memoria sufficiente a contenere i dati pari a num_el * il numero di byte occupato da ogni elemento */ punt = (int *) malloc (num_el * sizeof (int)); 37 © Piero Demichelis Memoria dinamica Memoria dinamica if (punt == NULL) { printf ( “\nErrore: memoria non disponibile”); return; } /* legge num_el elementi da tastiera e li salva nello spazio allocato */ for (i = 0; i < num_el; i++) { printf ("\nInserisci l'elemento di indice %d = ", i); scanf ("%d", &punt[i]); } /* visualizza il vettore */ for (i = 0; i < num_el; i++) printf ("\nElemento %d = %d", i, punt[i]); /* Utilizzando la definizione di puntatore la lettura e visualizzazione dei dati può essere effettuata anche nel modo seguente */ © Piero Demichelis 38 /* legge num_el elementi da tastiera e li salva nello spazio allocato */ for (i = 0; i < num_el; i++) { printf ("\nInserisci l'elemento di indice %d = ", i); scanf ("%d", (punt + i)); } /* visualizza il vettore */ for (i = 0; i < num_el; i++) printf ("\nElemento %d = %d", i, *(punt + i)); } 39 © Piero Demichelis 40 Funzione free Esempio • Si realizzi un programma che legga da un file la classifica di un campionato di calcio. Il numero di squadre è scritto nella prima riga del file. • Per liberare la memoria allocata dinamicamente, si utilizza la funzione free. • Successivamente il programma dovrà visualizzare la classifica sul monitor. • Il blocco di memoria deallocato viene restituito allo storage manager del sistema operativo e potrà essere riutilizzato successivamente dai programmi che faranno richiesta di memoria. • Esempio del file di input 8 Juventus 66 Milan 62 Inter 60 Roma 58 Bologna 56 Livorno 54 Reggina 52 Siena 50 • Prototipo: void free (void *punt) • il parametro della funzione è il puntatore all’area di memoria allocata in precedenza tramite malloc. © Piero Demichelis 41 42 © Piero Demichelis Esempio Esempio main() { • Analisi: - per memorizzare le squadre e il relativo punteggio useremo una struct con due campi: nome della squadra (stringa) e punti (int). typedef struct { char nome_sq[30]; int punti; } classifica; - Il programma dovrà richiedere il nome del file, aprirlo e leggere il primo valore, ovvero il numero di squadre che seguono. - In base a questo numero richiederà l’allocazione del numero di byte necessario per memorizzare l’intero file ovvero tutte le squadre e il loro punteggio. classifica *vett_class; char nomefile[30]; int num_squadre, i; /* puntatore alla struttura */ - Il numero di byte da richiedere sarà uguale a: num. squadre * sizeof (struttura con i due campi) © Piero Demichelis FILE *filedati; 43 © Piero Demichelis 44 Esempio Esempio /* richiede il nome del file contenente la classifica */ printf ("\nIntroduci il nome del file: "); scanf ("%s", nomefile); /* apre il file */ if ((filedati = fopen (nomefile,"r")) == NULL) { printf (“\nErrore apertura: %s", nomefile); exit (0); } if (vett_class == NULL) { printf (“\nErrore allocazione memoria"); exit (1); } /* legge il file e lo memorizza nel vettore dinamico */ for (i = 0 ; i < num_squadre ; i++) fscanf (filedati, "%s%d", &vett_class[i].nome_sq, &vett_class[i].punti); fclose (filedati); /* Visualizza sul monitor il vettore dinamico */ printf ("\n\nSquadra Punti\n"); for (i = 0; i < num_squadre; i++) printf(“\n%-12s %d", vett_class[i].nome_sq, vett_class[i].punti); /* rilascia la memoria */ free (vett_class); } /* legge il primo dato, ovvero il numero di squadre che seguono */ fscanf (filedati, "%d", &num_squadre); /* richiede l’allocazione della memoria necessaria per memorizzare il resto del file */ vett_class = (classifica *) malloc (num_squadre * sizeof (classifica)); © Piero Demichelis 45 Memoria dinamica 46 Strutture dati complesse • Mettendo insieme la versatilità delle struct e la possibilità di richiedere quanta memoria si desidera (nell’ambito della memoria disponibile) si riesce a costruire delle strutture dati assai flessibili e complesse. • Spesso succede però che la quantità di memoria necessaria per memorizzare i dati non è nota neppure nel momento in cui inizia l’esecuzione del programma. • Tuttavia la quantità di memoria che un programma può allocare dipende solo dalla memoria disponibile. • Non essendoci particolari limiti alla definizione di un campo di una struct possiamo pensare di definirlo di tipo puntatore, in particolare puntatore a una struct dello stesso tipo. • Per risolvere definitivamente il problema bisogna pensare di costruire strutture dati che “crescono” durante l’esecuzione del programma e quindi capaci di adattarsi alle necessità man mano che queste emergono. © Piero Demichelis © Piero Demichelis • Se in quel campo inseriamo l’indirizzo di un’altra struttura possiamo creare una struttura dati, nota come lista concatenata, simile a un vettore e che può crescere al bisogno fino al limite della memoria disponibile 47 © Piero Demichelis 48 Strutture dati complesse Strutture dati complesse • Supponiamo ad esempio di dover leggere da un file una sequenza di numeri interi la cui dimensione non è nota al momento della scrittura del programma. • Ad ogni lettura dal file scriveremo il valore del dato nel primo campo (quello int) utilizzando poi il campo puntatore per inserire l’indirizzo della prossima area di tipo struct che richiederemo con la malloc e destinata a contenere il prossimo dato. • Si potrebbe pensare a una lista concatenata utilizzando una struct con due campi: un campo int per il valore letto dal file e un campo puntatore per concatenarsi al valore successivo. • Si ottiene una struttura di questo tipo: • La struct sarà del tipo: struct { int dato; void *punt; } dato 1 punt dato 2 punt testa © Piero Demichelis dato n-1 punt 49 dato n NULL 50 © Piero Demichelis Strutture dati complesse Strutture dati complesse • La lista concatenata è una struttura sequenziale: per leggere l’ennesimo dato bisogna scorrere gli n-1 dati che precedono. • Ad esempio pensando a una struct con due campi puntatori potremo costruire un albero di questo tipo: p1 d1 • La lunghezza della lista è limitata solo dalla memoria a disposizione. d2 • Poiché non c’è limite al numero di campi di una struttura, si può pensare a tutta una serie di strutture dati in cui l’unico limite è la fantasia del programmatore. d4 • Naturalmente esistono delle strutture dati “canoniche” che vengono regolarmente utilizzate nei programmi e che si chiamano stack, code, alberi, ecc. © Piero Demichelis dato 3 punt p7 p8 p2 d3 p3 p4 d5 p9 p10 p5 p6 d6 p11 p12 d7 p13 p14 ecc. 51 © Piero Demichelis 52