Manual de referencia de C++ Parte IV Variables Punteros. Preparado por Prof. Luis A. Ortiz Ortiz

Transcripción

1 Manual de referencia de C++ Parte IV Variables Punteros Preparado por Prof. Luis A. Ortiz Ortiz

2 TABLA DE CONTENIDO Memoria de la computadora... 1 Representación de la memoria de la computadora... 1 Declaración de variables... 2 Variable puntero... 2 Dirección de una variable... 3 Cómo utilizar la dirección que guarda un puntero... 4 Arreglo de una dimensión... 5 Memoria asignada a un programa durante su ejecución... 5 Ejemplo del uso de la pila... 6 Montículo o memoria dinámica... 7 Cambio del tamaño de un arreglo dinámico... 8 ii

3 Memoria de la computadora La memoria de la computadora es un dispositivo electrónico que permite almacenar y examinar la información (por ejemplo, datos o instrucciones) guardada en esta. La unidad básica para representar información en la memoria se llama bit. El bit es la elección entre dos opciones de igual probabilidad, 0 o 1. Sin embargo, el byte es la unidad de medición de la información almacenada en la memoria equivalente a ocho bits. Para identificar un byte particular en la memoria de la computadora es necesario conocer su localización exacta. Dicha localización se conoce como la dirección donde se encuentra el byte. Por lo tanto, hay que indicar la dirección donde está el byte para colocar información o examinar lo que guarda actualmente el byte. Representación de la memoria de la computadora un byte F i l a s Columnas Figura 1. Una sección de la memoria de la computadora La figura 1 muestra una sección de la memoria de una computadora la cual está dividida en bytes. La dirección de un byte se obtiene combinando la fila y la columna correspondiente donde se encuentra el byte en la memoria de la computadora. De la combinación se obtiene una secuencia de ceros y unos que indica la dirección del byte. Todos los bytes de la memoria de la computadora tienen almacenado un valor correspondiente a una secuencia de ceros y unos, por ejemplo, un byte puede guardar la secuencia o la secuencia Esas secuencias en los bytes pueden representar por ejemplo números enteros, reales, caracteres, direcciones donde están los bytes, instrucciones o simplemente basura. Una secuencia de ceros y unos se considera basura, a menos que hayan sido colocado por alguien. Claro, esos valores válidos en algún momento se convertirán en basura cuando dejen de ser útiles para alguien. 1

4 Declaración de variables Las variables son símbolos que representan un valor en determinado tiempo. En C++, la declaración de una variable indica el nombre de la variable y la cantidad de bytes que la variable necesita para almacenar su información en la memoria de la computadora. Cuántos bytes son reservados para una variable, depende del tipo indicado en la declaración de la variable. Una vez el programa comienza su ejecución, el grupo de bytes reclamados por la variable son establecidos en la memoria de la computadora. Además, se crea un vínculo entre el nombre de la variable y el grupo de bytes asignados a la misma. En otras palabras, el nombre de la variable sabe cual es el grupo de bytes donde estará la información que le pertenece. El grupo se comporta como una unidad inseparable. Nombre de la variable 4 bytes Figura 2. Posible localización asignada a una variable entero La figura 2 muestra una sección de la memoria de la computadora donde reside el grupo de bytes que pertenecen a una variable de tipo entero. Los cuatro bytes son el lugar donde la variable colocará su valor. Por ejemplo, si el valor asignado a la variable es el número cinco entonces la secuencia de ceros y unos en el grupo de bytes sería así: los tres primeros bytes de la variable almacenarían cada uno ocho ceros y el último byte guardaría la secuencia Así que para examinar o modificar el grupo de bytes, hay que usar el nombre de la variable asociado al grupo o la dirección donde está el grupo. Variable puntero En C++ existen unas variables especiales que pueden almacenar la dirección (localización) donde se encuentra un grupo de bytes en la memoria de la computadora. Esas variables se conocen como variables puntero o simplemente punteros. La declaración de un puntero es inconfundible ya que su declaración incluye uno o más asteriscos. El formato para declarar un puntero es el siguiente: Tipo del dato en la memoria Un asterisco más que el tipo del dato en la memoria Nombre de la variable puntero ; 2

5 El tipo del dato en la memoria puede ser, por ejemplo, un tipo entero, punto flotante (real), booleano, carácter o el tipo de un puntero. Además, el tipo del dato en la declaración puede ser remplazado por un tipo de dato creado por el programador. Los punteros son variables clasistas; no guardan la dirección de cualquier grupo de bytes en la memoria de la computadora. Es decir, la dirección que guarde el puntero depende de lo que el grupo de bytes esté a su vez guardando. Por ejemplo, si el grupo de bytes está almacenando un número entero entonces el puntero que guarde la dirección del grupo de bytes debe ser declarado de la siguiente manera: int por el tipo del dato guardado en el grupo de bytes seguido de un asterisco debido a que el puntero tiene que poseer un asterisco más que el tipo del dato que guarde el grupo de bytes. En este caso, el tipo del puntero será int *. La siguiente tabla muestra varios ejemplos de declaraciones de punteros: Declaración del puntero Tipo del puntero Tipo del dato que guardarán los bytes int * p; int * int int ** k; int ** int * char * ch; char * char double * m; double * double double ** w; double ** double * double *** z; double *** double ** bool * s; bool * bool bool ** v; bool ** bool * Nótese que los punteros también son variables. Por lo tanto, el grupo de bytes asignados a un puntero tiene su propia dirección la cual puede ser guardada por otro puntero. Dirección de una variable El siguiente formato muestra como obtener la dirección de un grupo de bytes que le pertenecen a una variable: & Nombre de la variable La dirección devuelta por la expresión anterior solo puede ser guardada en un puntero cuya declaración tome en cuenta el tipo del dato almacenado en el grupo de bytes pertenecientes a la variable (el nombre de la variable conoce donde están los bytes de la variable). Por ejemplo, la figura 3 muestra el resultado del siguiente código: double * abc; double ** def; def = &abc; 3

6 abc def Figura 3. Posible localización asignada a una variable La variable def guarda la dirección donde reside el grupo de bytes de la variable abc. La flecha representa la dirección donde reside el grupo de bytes de la variable abc. Sin embargo, el pedazo de código no asigna valor alguno a la variable abc. Cómo utilizar la dirección que guarda un puntero La dirección de un grupo de bytes puede usarse para acceder al grupo de bytes tanto para examinar o cambiar el valor almacenado en el grupo. Así que si la dirección se guarda en un puntero entonces a través del puntero se puede acceder el grupo de bytes. Para acceder el grupo de bytes es necesario colocar un asterisco al frente del nombre del puntero. Usando el pedazo de código presentado anteriormente, abc es equivalente a *def debido a la relación descrita en el pedazo de código. Ambos casos se refieren al mismo grupo de bytes. El primer caso es la manera directa de acceder el grupo de bytes (a través del nombre dado al grupo de bytes). La segunda forma permite acceder el grupo de bytes de manera indirecta (a través de la dirección almacenada en el puntero def). Si abc guardara la dirección de un lugar donde hay almacenado un valor real entonces con *abc se puede examinar o cambiar el valor real en el grupo de bytes. Pero hay otra alternativa para acceder el grupo de bytes donde está almacenado el valor real, **def. El primer asterisco indica el lugar donde está almacenada la dirección del grupo de bytes que tiene el valor real, la variable abc. El segundo asterisco permite acceder el grupo de bytes donde se almacena el valor real. La siguiente figura muestra la relación entre los tres grupos de bytes: def abc *abc Grupo de bytes donde estaría el número real *def **def Figura 4. Relación entre abc, def y el grupo de bytes donde estaría el valor real 4

7 Arreglo de una dimensión Los arreglos de una dimensión son un grupo de variables llamadas elementos (todos los elementos son del mismo tipo). Lo peculiar de un arreglo es que el nombre del arreglo es un puntero constante. Por lo tanto, el nombre del arreglo de una dimensión conoce donde está el primer elemento (primera variable) del grupo. Ya que los elementos son variables, la dirección donde residen sus bytes puede obtenerse usando el formato para obtener la dirección de una variable. Recordatorio, el nombre del arreglo no es una variable, es una constante. Sus elementos son las variables. La siguiente figura muestra un arreglo de una dimensión: s[0] s[1] s[2] s Figura 5. Posible representación de un arreglo de una dimensión de tres elementos de tipo carácter Memoria asignada a un programa durante su ejecución Durante la ejecución de un programa en la computadora, un grupo de bytes de la memoria de la computadora es asignado al programa. Ese grupo asignado al programa se divide en tres áreas: La primera de las tres áreas guardará el código del programa. El código es la parte del programa que no cambia. La segunda área se utilizará para mantener el estado (o las condiciones) en que se encontraban las funciones (subprogramas) cuando fueron interrumpidas por otras funciones como también mantendrá el estado de la función que está ejecutando actualmente. Además, el estado de las funciones se guarda según el orden en que las mismas fueron interrumpidas. De esta manera, una función interrumpida puede resumir su ejecución una vez la función que la interrumpió termine su tarea. Esta sección se conoce por el nombre de pila (stack). La última área está reservada para que el programador indique su uso durante la ejecución del programa. Esta sección se conoce como montículo (heap). 5

8 Ejemplo del uso de la pila La siguiente figura muestra un ejemplo de la división descrita anteriormente: Código de la función main Código de la función a Código de la función b C ó d i g o Función que está ejecutando actualmente Funciones en suspenso, en espera de continuar su ejecución Estado de la función b quien interrumpió la función llamada a Estado de la función a quien interrumpió la función llamada main Estado de la función main P i l a M o n t í c u l o Figura 6. Ejemplo de una pila donde b fue invocada por a y a fue invocada por main El estado de una función (subprograma) que se encuentre en la pila, por ejemplo a, guardará, entere otras cosas, los valores de los parámetros, las variables locales y la dirección del grupo de bytes que almacena la instrucción que causó la interrupción de la función que la activó, en este caso, la función main. Esa dirección permitirá a la función interrumpida, en este caso, la función main, continuar la ejecución de las instrucciones que faltan para completar su tarea en un futuro cercano. En este caso, la función main continuará su ejecución cuando la función a haya terminado su tarea. Una relación similar existe entre la función b y la función a. 6

9 Montículo o memoria dinámica El montículo permite al programador manejar el área sin restricciones, de ahí el nombre de memoria dinámica. El efecto de la manipulación del montículo sucederá durante la ejecución del programa. Las únicas instrucciones en C++ para afectar el montículo son new y delete. El operador new permite reservar grupos de bytes para usarse durante la ejecución del programa; no para alterar la cantidad bytes reservados anteriormente por el operador. El operador delete permite liberar los grupos de bytes reservados por el operador new para que puedan usarse más adelante (el montículo no es infinito) durante la ejecución del programa. Ambos operadores ofrecen dos versiones: <variable puntero> = new <tipo del dato> ; <variable puntero> = new <tipo del dato> [ <cantidad de espacios> ] ; delete <variable puntero> ; delete [ ] <variable puntero> ; El primer formato permite reservar un grupo de bytes capaz de almacenar un valor del tipo indicado en la instrucción. El segundo formato permite reservar varios grupos de bytes según la cantidad indicada en la instrucción (un arreglo dinámico). Ambos operadores devuelven la dirección donde están los bytes reservados en el montículo. Por eso, la dirección devuelta por el operador new hay que guardarla en un puntero. Los dos últimos formatos son la antítesis de los dos primeros formatos. Son para liberar los bytes reservados por el operador new. El formato uno y tres son pareja. El segundo y cuarto formato también son pareja. El operador delete no elimina el grupo de bytes asignados al puntero, elimina la reservación de los bytes cuya dirección guarda el puntero de manera que estos puedan usarse más adelante por alguien más. El siguiente código muestra como crear un arreglo dinámico cuyos elementos son de tipo carácter: char * s; s = new char[3]; // variable puntero // s guarda la dirección del primero de tres grupos de bytes Este pedazo de código produce el mismo efecto que muestra la figura 5. En este caso el arreglo es dinámico. El mismo efecto se produce cuando el arreglo es declarado en forma estática, char s[3]. Moraleja, todo lo que sea creado dinámicamente puede ser liberado durante la ejecución del programa. Lo que fue creado estáticamente, es decir, creado por una declaración, no puede ser alterado durante la ejecución del programa utilizando los operadores new y delete. En el caso anterior, la declaración char * s reserva un grupo de bytes para la variable s. La cantidad de bytes en el grupo asignado a la variable no puede ser liberado, el grupo es 7

10 estático una vez es asignado a la variable. Sin embargo, la segunda instrucción reserva tres grupos de bytes consecutivos del montículo durante la ejecución del programa el cual puede ser liberado en cualquier momento por el operador delete. Cambio del tamaño de un arreglo dinámico Hay circunstancias en las cuales se reservan una cantidad de bytes que satisfacen las necesidades del momento. Quizás, en otro momento la necesidad indique que lo reservado no es suficiente. Por lo tanto, es preciso reservar una mayor cantidad de bytes para satisfacer las nuevas condiciones. El problema es que la cantidad reservada no puede ser alterada ya que no existe un operador en C++ que cambie el tamaño de un arreglo dinámico. Sin embargo, si se puede simular el efecto de aumentar o disminuir, según sea el caso, el tamaño del arreglo dinámico. El procedimiento es el siguiente: 1. Crear un arreglo dinámico del tamaño necesario sin deshacerse del antiguo arreglo. 2. Colocar las copias de los datos almacenados en los elementos del antiguo arreglo en los elementos del nuevo arreglo. Si el procedimiento es para disminuir el arreglo dinámico entonces no todos los elementos en el antiguo arreglo serán copiados en el nuevo arreglo. 3. Liberar el antiguo arreglo. Para realizar el procedimiento anterior es necesario contar con dos punteros. Uno que guarde la dirección del antiguo arreglo y otro para que guarde la dirección del nuevo arreglo. Al final de todo, el nuevo arreglo es el que sobrevive. 8