Указатель (англ. pointer) — переменная, диапазон значений которой состоит из адресов ячеек памяти или специального значения — нулевого адреса. Последнее используется для указания того, что в данный момент там ничего не записано.

Русское название термин получил по аналогии с дорожными указателями, на них обозначают направление и расстояние до того или иного города.

Область применения

Указатели применяются в двух сферах:

• использования выгоды косвенной адресации (как в языках ассемблера). Одной из выгод можно назвать экономию памяти. Делая указатель на файл — мы читаем его из памяти, а не загружаем в ОЗУ. Передавая указатель на переменную в функцию мы не делаем копию этой переменной и редактируем её напрямую^[1]. Указатели используют для хранения адресов точек входа для так называемых подпрограмм в процедурном программировании и для подключения динамических подключаемых библиотек.

• методы динамического управления памятью. В таком случае выделяется место в так называемой куче (динамической памяти), а переменные, для которых выделили так память, называются динамическими^[2]. В языке Си нет понятия строковой переменной, так что для строк часто используют указатель на массив символов.

Действия над указателями

Языки программирования, в которых предусмотрен тип указателей, содержат, как правило, две основные операции над ними: присваивание и разыменование. Первая из этих операций присваивает указателю некоторый адрес. Вторая служит для обращения к значению в памяти, на которое указывает указатель. Разыменование может быть явным и неявным, в большинстве современных языков программирования разыменование происходит только при явном указании.

Пример указателей на языке Си:

int  n  = 6;    // Объявление переменной n типа int и присваивание ей значения 6
int *pn = malloc( sizeof ( int ) ); // Объявления указателя pn и выделение под него памяти.
    *pn = 5;    // Разыменование указателя и присваивание значения 5.
     n = *pn;   // Присвоить n то значение (5), на которое указывает pn.
     free(pn);  // Освободить занятую память.
     pn = &n;   // Присваивает указателю pn адрес переменной n(указатель будет ссылаться на n).
     n = 7;     // *pn тоже стало равно 7

Существует понятие унарной операции (&). Унарная операция & — выдает адрес объекта. Применима только к переменным и элементам массива. pX = &x;. Унарная операция * — рассматривает свой операнд как адрес конечной цели и обращается по этому адресу, чтобы извлечь содержимое.

int sourceNum1 = 100;
int sourceNum2 = 200;
int* pNum1 = &sourceNum1;
int* pNum2 = &sourceNum2;
printf("Pointer value of 1-%d, 2-%d\n", *pNum1, *pNum2);  
pNum1 = pNum2;
printf("Pointer value of 1-%d, 2-%d\n", *pNum1, *pNum2);

В случае, если указатель хранит адрес какого-либо объекта, то говорят, что указатель ссылается или указывает на этот объект.

Языки, предусматривающие использование указателей для управления динамической памятью, должны содержать оператор явного размещения переменных в памяти. В некоторых языках помимо этого оператора предусмотрен ещё и оператор явного удаления переменных из памяти. Обе эти операции часто принимают форму встроенных подпрограмм (функции malloc и free в Си, операторы new и delete в C++ и т. п.). При использовании простого, а не умного указателя следует всегда своевременно удалять переменную из памяти, дабы избежать утечки памяти.

Нулевой указатель

Нулевой указатель − это указатель, хранящий специальное значение, используемое для того, чтобы показать, что данная переменная-указатель не ссылается (не указывает) ни на какой объект. В различных языках программирования представлен различными константами^[3].

• В языках C# и Java: null
• В языках Си и C++: 0 или макрос NULL. Кроме того, в стандарте C++11 для обозначения нулевого указателя предложено новое ключевое слово nullptr^[4]
• В языках Паскаль и Ruby: nil
• В языке Python: None

Основные проблемы применения

Указателями сложно управлять. Достаточно легко записать в указатель неправильное значение, что может вызвать трудно воспроизводимую ошибку. Например, вы случайно поменяли адрес указателя в памяти, или неправильно выделили под информацию память и тут вас может ожидать сюрприз: другая очень важная переменная, которая используется только внутри программы будет перезаписана. В таком случае вам будет сложно воспроизвести баг. Нелегко будет и понять, где именно находится ошибка. И не всегда тривиально будет её устранить (иногда придётся переписать существенную часть программы)^[5].

Для решения части проблем есть методы предохранения и страховки:

Инициализируйте указатели

Пример ошибки с неинициализированным указателем:

/* программа неверна. */
int main (void)
{
    int х, *р; // Выделилась память под x, но не под *p
    х = 10;    // В память записано 10
    *р = х;    // В неясное место в памяти вписывается 10, что может привести к аварийному прекращению программы.
    return 0;
}

В такой маленькой программе проблема может остаться незамеченной. Но, когда программа разрастется, то, внезапно, может выясниться, что переменная записана промеж других данных важных для программы. Просто инициализируйте указатель^[5].

Верно используйте указатели

Неправильное использование указателя:

#include <stdio.h>
/* программа неверна */
int main(void)
{
    int x, *p;
    x = 10;
    p = x;
    printf ("%d", *p);
    return 0;
}

Вызов printf() не выводит значения х, которое равно 10, на экран. В итоге выводится некоторое неизвестное значение из-за неправильного оператора присваивания р = х; Этот оператор присваивает значение 10 указателю р, который должен содержать адрес, а не значение. К счастью, ошибка в данной программе обнаруживается компилятором. Компилятор выдает предупреждение о необычном преобразовании указателя. Для устранения ошибки следует написать p = &х;^[5].

Утечка памяти

Утечка памяти — процесс неконтролируемого уменьшения объёма свободной оперативной памяти (RAM) компьютера, связанный с ошибками в работающих программах, вовремя не освобождающих ненужные уже участки памяти, или с ошибками системных служб контроля памяти.

char *pointer = NULL;
int i = 0;
for( i = 0; i < 10; i++ )
{
    pointer = (char *)malloc(100); // Память выделяет 10 раз
}
free(pointer); // А освобождается только в последнем случае

Сравнение указателей

Кроме операций с адресами их можно проверять. pNum1 < pNum2 и pNum1 > pNum2 могут помочь при путешествии по массиву (проверять дошли до конца массива или нет сравнивая два указателя, где первый — текущее положение в памяти, а второй — конец массива в памяти), pNum1 == pNum2 вернет истину в том случае, если оба указателя указывают на одну ячейку памяти.

Адресная арифметика

Адресная арифметика появилась как логичное продолжение идеи указателей наследованной от ассемблерных языков. В последних имеется возможность указать некое смещение от текущего положения.

int* p; // Если p указывает на адрес - 200
p++;    // После операции сложения указывает на 200 + sizeof(int) = 204
p--;    // Обратно указывает на 200.

Умный указатель

Существуют, как правило, шаблонные классы, реализующие указатели, но избавляясь от ряда их недостатков.

Указатель в биологии человека

Мозг использует группы клеток, похожие на указатели, для решения некоторых задач^[6].

Примечания