C-Pointer (Zeiger, Adressen) vs. C++ Referenzen

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1 C-Pointer (Zeiger, Adressen) vs. C++ Referenzen Der Pointer (C/C++): In C/C++ ist der Pointer ein eigener Datentyp, der auf Variablen/Objekte zeigen kann. Indem man den Pointer dereferenziert, gewinnt man das Datenobjekt zurück, auf das der Pointer zeigt. Der Dereferenzierungs-Operator in C/C++ ist der Stern * und wird vor den Pointer geschrieben: Ist p ein Pointer, der auf ein Objekt zeigt, dann ist *p dieses Objekt. Ist x ein Objekt, so ist &x ein Pointer auf dieses Objekt. Definition von Pointern: In C/C++ definiert man den Typ des dereferenzierten Objekts, z.b. int *p; double *r; // definiert p als Pointer auf einen int: (*p) ist ein int // Pointer auf ein double-objekt int n, x[20], *q; // definiert einen int n, ein Array x[20], einen Pointer q In C++ ist es eher üblich, den Pointer als "eigenen Datentyp" zu betrachten und schreibt daher oft: int* p; // p ist int-pointer Da aber C und C++ dieselbe Syntax haben, muss man aufpassen: in C: int *p, n; // p ist int-pointer, n ist int in C++: int* p, n; // p ist int-pointer, n ist int (nicht int*) Achtung: Bei der Definition eines Pointers wird der Speicherplatz für diese Pointer-Variable reserviert. Der Pointer zeigt nach der Definition noch nicht auf irgendein Datenobjekt, auch wird kein Platz für das Datenobjekt selbst reserviert. Pointer auf unterschiedliche Objektklassen sind inkompatibel. p = 1; // p wird auf die Adresse 1 gerichtet; ziemlich sinnfrei *p = 1; // das Objekt, auf das p zeigt, wird auf 1 gesetzt, hier sicher Absturz

2 q = p; r = p; p = &n; // in Ordnung, beides sind Pointer auf int // Warnung: Die Pointer (double*) und (int*) sind inkompatibel // korrekt: p zeigt ab jetzt auf n *p = 5; // ist dasselbe wie: n = 5 p = &x[4]; // p zeigt jetzt auf x[4] *p = -17; // dasselbe wie x[4] = -17 Verwendung von Pointern Abgesehen von obigen eher unsinnigen Anwendungen werden Pointer aus 2 Gründen verwendet: 1) Zur Geschwindigkeitsoptimierung in kritischen Programmteilen 2) Zur Übergabe von Objekten an Funktionen ad 2): Aus folgenden Gründen ist es sinnvoll und oft auch notwendig, statt einer Kopie des Objekts einen Pointer(oder eine Referenz) auf das Objekt zu übergeben: 1) Man kann keine Kopie des Objekts erstellen (z.b. Funktionen). Diese können nur per Pointer (oder per Referenz) übergeben werden. 2) Man will das Objekt in der Funktion ändern. Das geht nur über einen Pointer (call by address) oder über eine Referenz. Der Pointer wird als Kopie übergeben (C kann nur Wertübergabe!) 3) Das Kopieren des Objekts benötigt zu viel Zeit oder Speicherplatz und ist unnötig. 4) Es ist wichtig, dass das Objekt nur einmal existiert (z.b. Strukturen für die Dateiverwaltung ). In C/C++ können Funktionen die per Kopie übergebenen (call by value) Argumente des Aufrufers nicht ändern. Das funktioniert erst dann, wenn man Pointer auf diese Objekte oder aber "getarnte Pointer = Referenzen" in C++ übergibt. void set5(int n) // total sinnlose Funktion, soll n beim Aufrufer auf 5 setzen, das geht so nicht n = 5; irgendwo anders im Programm steht:

3 int i = 1; set5(i); Welchen Wert hat die Variable i nach diesen 2 Zeilen? Man stellt fest, dass sie immer noch den Wert 1 hat. Beim Aufruf von set5(i) wird die Variable i kopiert (diese Kopie hat den Anfangswert 1) und diese Kopie wird der Funktion set5 als Argument n übergeben. Diese ändert nun diese Kopie auf 5, aber das Original i wird NICHT verändert. Sollen Funktionen die Original-Aufruf-Parameter ändern, so muss man die Adressen der Objekte oder Referenzen auf die Objekte übergeben. Unser Programm lautet verbessert: void set5(int* p) // p zeigt auf das zu verändernde int-objekt *p = 5; // verändere das referenzierte Objekt! irgendwo anders im Programm steht: int i = 1; set5(&i); // übergibt den Pointer &i; i hat danach den Wert 5. Die Referenz (nur C++) In C++ gibt es zusätzlich zu den Pointern auch noch die Referenzen. Diese können ähnlich wie Pointer eingesetzt werden, haben aber eine ganz andere Syntax und gehorchen auch anderen Regeln. Eine Referenz ist kein eigener Datentyp sondern ein Alias-Name für das Originalobjekt. Eine Referenz muss immer auf eine existierende Objektinstanz zeigen und bleibt dauerhaft mit dieser verbunden! Eine Referenz muss nicht dereferenziert werden. Unter seiner äußeren Schale ist eine Referenz in Wirklichkeit ein Pointer, allerdings hübsch verpackt und nicht mehr als Pointer zu erkennen. int i; int& i2 = i; int* p; int& j; // korrekt: Referenz i2 ist ein Alias für i // korrekt: Pointer p zeigt auf nichts. Besser: int* p = &i; // Fehler: Referenz j zeigt auf nichts i2 = 5; // ändert das Original i (hier steht kein *) p = &i; // richtet p auf i *p = 7; // ändert i (bei Pointern muss hier der * stehen) Mit Referenzen lässt sich das vorige Programm so schreiben: void set5(int& r) // r referenziert das übergebene int-objekt r = 5; // verändere das referenzierte Objekt!

4 irgendwo anders im Programm steht: int i = 1; set5(i); // i hat danach den Wert 5. Hier darf beim Aufruf kein Adress-Operator stehen! Obwohl Referenzen und Pointer eng verwandt sind, gibt es 2 Hauptunterschiede: 1) Eine Referenz zeigt immer auf das Element, auf das sie konstruiert wurde. Ein Pointer kann auch umdefiniert werden und kann dann andere Ziele anvisieren. 2) Eine Referenz muss beim Erstellen auf ein existierendes Objekt verweisen. Ein Pointer kann auch ins Nirvana zeigen (z.b. der Nullpointer, der die Adresse 0 anvisiert). Nullpointer als Ergebnisse werden in C oft auch zur Signalisierung eines Fehlers eingesetzt: if (fopen(filename, "r") == 0) // das Öffnen der Datei hat nicht geklappt. Referenzen lassen sich nicht zu diesem Zweck einsetzen, da das Ziel der Referenz, wie gesagt, immer gültig sein muss: Es gibt keine Null-Referenz! Seit C++11 heißen diese Referenzen lvalue-referenzen, da man auch rvalue-referenzen eingeführt hat, die man mit && (doppeltes Ampersand kennzeichnet). Wenn überhaupt, behandle ich rv-referenzen erst später. Die C++11- Referenzen 11 wurden deutlich aufgewertet und können jetzt Dinge machen, die mit Pointern nicht möglich sind. Pointer in C++ Vermeide in C++ echte Pointer, wo immer es geht. Dank der Referenzen in C++ benötigt man Pointer nur in wenigen zwingenden Situationen: Der this-pointer in Objektmethoden. Laut C++ Erfinder Bjarne Stroustrup existiert dieser nur, weil zu diesem Zeitpunkt C++ noch keine Referenzen hatte und deshalb einen Pointer benutzen musste. Und später nach der Einführung der Referenzen in C++ musste man wohl oder übel dabei bleiben (oder den ganzen Code neuschreiben). Pointer zur Verwaltung von dynamischem Speicher. Auch hier lässt sich der Pointertyp manchmal nicht wirklich vermeiden. Übergabe von C-Arrays an Funktionen: Dadurch werden aus den Arrays Pointer. In dieser Lehrveranstaltung verzichten wir weitgehend auf die C-Altlasten (keine C-Arrays, so gut wie keine Pointer). Da wir dynamischen Speicher nur mittels fertiger Containerklassen verwenden, verbleibt als einziger Anwendungsfall der this-pointer übrig.

5 Pointerartige Objekte in C++ C++ kennt zusätzliche Objekte, die ähnlich wie Pointer verwendet werden können. Dazu zählen z.b. die Iteratoren der Container-Templates und die Smartpointer von C++ (std::shared_ptr und std::unique_ptr). Diese können immer dereferenziert werden (wie echte Pointer) und gestatten auch weitere Pointeroperationen (je nach Typ): Manche lassen sich inkrementieren und dekrementieren, definieren einen Indexoperator usw. Die klassische for-schleife durch den Inhalt eines Containers c: for (auto it = c.begin(), last = c.end(); it!= last; ++it) Tue etwas mit *it; // kann auch den Containerinhalt verändern Dasselbe mit Range-based for: for (auto& x : c) Tue etwas mit x; // kann auch den Containerinhalt verändern Einfacher sieht sicher das Range-based for aus. Allerdings kann man mit Variante 1 leicht den Container rückwärts durchlaufen oder nur Teile des Containers bearbeiten, was man mit Variante 2 nicht kann. Die Rückwärtsschleife (verwendet die Reverse-Iteratoren): for (auto it = c.rbegin(), last = c.rend(); it!= last; ++it) Tue etwas mit *it;