Felder, Zeiger und Adreßrechnung

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1 Felder, Zeiger und Adreßrechnung Felder bestehen aus Variablen eines einzigen Datentyps. Bisher kennen wir eindimensionale Felder. In C sind Felder mit beliebigen Dimensionen möglich. Unsere räumliche Vorstellungskraft schafft normalerweise nur drei Dimensionen. Definition von Feldern mit beliebigen Dimensionen Ein Feld wird definiert, indem man hinter dem Namen in eckigen Klammern für jede Dimension die gewünschte Größe angibt. Jede Dimension hat dabei ihr eigenes Klammerpaar. float wert [10] [20]; Abbildung 1 Definition von mehrdimensionalen Feldern Das Beispiel zeigt ein zweidimensionales Feld mit 10 Zeilen und 20 Spalten pro Zeile. Der letzte Index verändert sich immer am schnellsten. Die Elemente des letzten Index liegen nebeneinander im Speicher. Initialisierung von Feldern Felder können initialisiert werden. (Bei K&R: nicht bei lokalen Feldern.) Zur besseren Lesbarkeit wird man bei mehrdimensionalen Feldern den Aufbau des Feldes durch Klammern angeben. Nicht angegebene Inhalte werden gemäß der Speicherklasse (global, lokal) initialisiert. int datenfeld [2] [3] = { {1,2,3}, { 4,5,6 } }; Abbildung 2 Initialisiserung von mehrdimensionalen Feldern Arbeiten mit Feldern Will man mit einer Variablen arbeiten, die in einem Feld liegt, muß man bei einem Zugriff genauso viele Indizes angeben, wie man bei der Definition des Feldes verwendet hat. Jeder Index steht wieder für sich in einem Klammerpaar. werte [6] [8] = ; Abbildung 3 Zuweisung an einzelne Feldvariable Fehlt ein Index oder auch mehrere, dann steht der Ausdruck für eine Adresse. Der Name allein steht für die Startadresse des ganzen Feldes. In einem zweidimensionalen Feld steht der Name mit einem Index für die Startadresse einer Zeile. Felder und Parameterübergabe Nehmen wir dazu einmal eine Funktion aus der Standardbibliothek und schreiben sie in verschiedenen Versionen. Felder, Zeiger und Adressrechnung

2 Mit strcpy (string copy) lassen sich Feldparameter vorstellen. Bei der Übergabe von Feldern an Funktionen kann im formalen Parameter ein leeres Klammerpaar (ohne Initialisierung) verwendet werden. Diese Schreibweise gilt nur für Parameter. Der so definierte Parameter kann innerhalb der Funktion genau wie ein Feld verwendet werden. Felder werden generell nur mit ihrer Startadresse übergeben. Daher ist der formale Parameter tatsächlich ein Zeiger. 1 /* Texte kopieren */ 2 /* strcpyc.c */ 3 #include <stdio.h> 4 #include <string.h> 5 struct datum 6 { int tag; 7 char monat[20]; 8 int jahr; 9 }; 10 typedef struct datum d; 11 d * datum_init(d * dp,int t,char *m,int j) 12 { 13 dp->>tag = t; 14 strcpy (dp->>monat,m); 15 dp->>jahr = j; 16 return dp; 17 } 18 void datum_zeig (d * dp) 19 { printf("datum: %2d.%s %4d", 20 dp->>tag,dp->>monat,dp->>jahr); 21 } 22 int main () 23 { 24 d heute; 25 datum_init (&heute, 9,"November",2525); 26 datum_zeig(&heute); 27 return 0; 28 } 29 Abbildung 4 Text kopieren mit Zeigern und Feldern Der Feldoperator und der indirekte Zugriff Der Feldoperator [ ] erwartet eine Adresse und eine positive, ganze Zahl. Der Name des Feldes (oder der Parameter) ist ein Adreßlieferant und der Index ist die ganze Zahl. Bei einem Zugriff auf eine der Variablen berechnet der Compiler intern die Adresse der gewünschten Variablen. Die Adresse erhält man, wenn man die Startadresse des Feldes nimmt, den Index der Variablen mit der Größe einer Variablen multipliziert und beides zusammenzählt. An diese Stelle im Speicher wird dann der gewünschte Wert geschrieben. Statt des Feldoperators könnten wir daher auch schreiben: * (feld +3) = 8; Felder, Zeiger und Adressrechnung

3 Statt eines Zugriffs mit einem Index kann man immer auch mit einem Zeiger und der Adreßrechnung zugreifen. Bei vielen Maschinen ist der Zeigerzugriff schneller. (Dies gilt nicht unbedingt bei den Intel-Prozessoren mit Segmentierung.) Abbildung 5 Adressrechnung bei Feldzugriff immer bei Feldern werden die Grenzen des Index nicht geprüft. Vergleich der Schreibweisen Die erste Version strcpy1() erhält als Parameter zwei Felder. Bei der Definition der Parameter dürfen die Klammern leer bleiben, denn Felder werden nur mit ihrer Startadresse übergeben. Wie Innerhalb der Funktion wird auf die Variablen mit einem fortlaufenden Index zugegriffen. Nachdem die Endekennung \0 kopiert worden ist, bricht die Schleife ab. Der Schleifenkörper braucht nur für das Inkrementieren des Index zu sorgen. Die Zeigerversion ist strcpy2(). Obwohl hier Zeiger als Parameter angegeben werden, bleibt trotzdem der Aufruf der Funktion gleich (siehe Zeilen 36 und 37 im Bild 11-4). Es ist in den Bibliotheksfunktionen üblich, einen Wert zurückzugeben. In unserem Fall wird der Zeiger auf das Ziel erwartet. Er muß zwischen gespeichert werden, da die Schleife die übergebenen Parameter verändert. In der Schleife schreiben wir an die Stelle, auf die der Zielzeiger zeigt, den Wert, auf den der Quellzeiger zeigt. Danach werden beide Zeiger inkrementiert. Wieder wird die Schleife abgebrochen, wenn die Endekennung kopiert worden ist. Der Schleifenkörper hat hier keine Funktion mehr. Trotzdem muß er nach den Sprachregeln zumindest als Leeranweisung vorhanden sein. Die dritte Schreibweise wurde eher als schlechtes Beispiel aufgenommen. strcpy3() entspricht von der Funktion her strcpy2(). Nur wurde im while -Test die explizite Angabe der Abbruchbedingung weggelassen. Da als letzter Wert die \0 kopiert wurde und der Test eine \0" als Wahrheitswert falsch" ansieht, wird die Schleife trotzdem richtig beendet. Dieses Beispiel zeigt keinen guten Stil. Programme sollten möglichst lesbar und unmittelbar verständlich sein. Diese Art von verklausulierter Programmierung hat C ein wenig in Verruf gebracht. Vernünftige Programmierer sollten besser so schreiben, daß sie ihr eigenes Programm auch noch nach Jahren verstehen und ändern können. Felder, Zeiger und Adressrechnung

4 Abbildung 6 Skalierte Adressrechnung Adressrechnung Die Adressen in den Zeigern können auch berechnet werden. C bietet hier etwas, was andere Sprachen dem Programmierer vorenthalten. Die Zeigerarithmetik verhält sich so, als würde man mit Zeigern auf Feldelemente arbeiten. Wenn man einen Zeiger auf float um eins erhöht, dann zeigt er auf das nächste float -Element; ein int -Zeiger würde auf das nächste int -Element zeigen. Allgemein kann die zulässigen Operationen mit Zeigern in drei Bereiche einteilen: Zeiger und ganze Zahlen, zwei Zeiger, Operationen mit einen Zeiger. Ein ganze Zahl darf auf einen Zeiger addieren oder von ihm abziehen. Die Addition bedeutet: setze den Zeiger um die gewünschte Anzahl (von Elementen) nach oben zu höheren Adressen; die Subtraktion nach unten. Wenn eine int -Variable zwei Byte benötigt, dann würde intern der Zeiger bei einer Addition von 1" um zwei Bytes erhöht. Felder, Zeiger und Adressrechnung

5 1 /* Adressrechnung */ 2 /* adr.c */ 3 #include <stdio.h> 4 5 int i_feld [10]; 6 int * i_zeig; 7 8 int main () 9 { 10 int i; 11 fputs ("\x1b[2j",stdout); 12 for (i=0; i<< 10; i++) 13 i_feld[i] = i; 14 printf("\ninhalt i_feld[3]: %d",*(i_feld+3)); 15 printf("\ndifferenz: %d",&i_feld[6]-i_feld); 16 i_zeig = i_feld; 17 printf("\ninhalt der zweiten Variablen: %d", 18 *(++i_zeig)); 19 return 0; 20 } 21 Abbildung 7 Beispiele zur Adressrechnung Zwei Zeiger darf man vergleichen, einander zuweisen oder voneinander abziehen. Bei der Subtraktion geht man davon aus, daß man den kleineren Zeiger vom größeren abzieht. (Das prüft man besser vorher!) Das Ergebnis ist dabei eine ganze Zahl, die angibt, wie viele Elemente dazwischen Platz haben. Es bleibt noch der dritte Fall zu besprechen. Eine einzelne Zeigervariable kann man inkrementieren und dekrementieren. Natürlich kann man ihr auch eine typgerechte Adresse zuweisen und mit ihr zugreifen.. Aufgaben: Legen Sie ein (kleines) dreidimensionales int -Feld an. Initialisieren Sie jede Feldvariable mit einem eindeutigen Wert. Weisen Sie einem Zeiger die Anfangsadresse des Feldes zu und geben Sie mit Hilfe dieses Zeigers alle Inhalte der Feldvariablen aus. In welcher Reihenfolge liegen die Variablen im Speicher? Schreiben Sie ein Programm, das jede der drei Funktionen sehr oft (z. B mal) aufruft. Messen Sie mit Bibliotheksfunktionen die Zeit, die jede Funktion benötigt. Welche der drei Versionen von strcpy() benötigt auf Ihrem Rechner die meiste Zeit? In den beiden Varianten der strcpy() Funktion wurde einmal mit einem Index und einmal mit einen Zeiger zugegriffen. Welche internen Operationen geschehen in der Schleife bei einem Zugriff mit einem Index, welche beim Zugriff mit dem Zeiger? Welche ist daher zumeist schneller? Im nächsten Kapitel Bisher haben wir uns mit den in der Sprache vorgegebenen Möglichkeiten beschäftigt. Für einen Einsatz ist es aber besonders wichtig, wie wir z. B. Kunden, Artikel oder allgemein eigene Datentypen definieren und bearbeiten können. Im nächsten Kapitel wenden wir uns daher den Strukturen zu, die es erlauben, die Sprache um eigene Datentypen beliebig zu erweitern. Felder, Zeiger und Adressrechnung