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Pointer und Referenzen Arrays Speicherverwaltung

Pointer, Arrays und New

Florian Adamsky, B. Sc. (PhD cand.)

florian.adamsky@iem.thm.dehttp://florian.adamsky.it/

Softwareentwicklung im WS 2014/15

Outline

1 Pointer und Referenzen

2 Arrays

3 Speicherverwaltung

Wiederholung der letzten Vorlesung

C++ ist maschinennah, schnell und unterstützt das objektorientierteParadigma

eine Klasse ist ein Bauplan und kann in C++ über das Schlüsselwortclass erzeugt werden

eine Klasse besitzt Attribute und Methoden

von einer Klassen können viele Objekte erzeugt werden

der Zugriff auf die Attribute und Methoden eines Objekt erfolgt überden Punktoperator .

Objekte können über Methoden Nachrichten austauschen

Datenkapselung ist kann über die Zugriffsschlüsselwörter private undpublic in C++

Inhaltsverzeichnis

2 Arrays

Was ist ein Pointer/Zeiger?

Definition (Pointer)Für einen Typ T, ist T* ein Zeiger auf T. Ein Pointer (Zeiger) ist eineVariable die eine Speicheradresse speichert und dadurch auf eine andereVariable oder Objekt zeigt. (Analogie: Verknüpfung in Windows)

int x = 5;

int* ptr = &x;

int x = 5;

int* ptr = &x;

int x = 5;

int* ptr = &x;

int x = 5;

int* ptr = &x;

Dereferenzierung

Definition (Dereferenzierungs-Operator)Der *-Operator gibt den Wert aus, auf dem der Pointer zeigt.

Example (Beispiel)

int x = 5;

int* ptr = &x;

// Integercout << x << endl; // 5cout << &x << endl; // 0xf5e

// Pointercout << *ptr << endl; // 5cout << ptr << endl; // 0xf5e

Was ist eine Referenz?

Definition (Referenz)Referenz ist ein Pointer mit automatischer Dereferenzierung. DerUnterschied ist, das Referenzen nach der Initialisierung nicht mehrverändert werden können.

int x = 5;

int& ptr = x;

int x = 5;

int& ptr = x;

int x = 5;

int& ptr = x;

int x = 5;

int& ptr = x;

Pointer/Referenzen

Variable Pointer ReferenzenInitialisierung int x = 5; int* ptr = &x; int& ref = x

Wert x *ptr ref

Speicheradresse &x ptr &ref

Vergleich Pointer und Referenzen

Pointer/ZeigerArithmetische Operationen wieptr++ sind erlaubt

Pointer müssen nichtinitialisiert werden

Können ihren Wert verändert,dadurch auf verschiedeneVariablen zeigen

ReferenzArithmetische Operationensind sind nicht erlaubt

Referenzen müssen initialisiertwerden

Können nicht verändertwerden, dadurch zeigen sieimmer auf die selbe Variable

Call-By-Value

Definition (Call-By-Value)Die Parameterübergabe Call-By-Value kopiert Argumente eines Funktions-oder Methodenaufrufs in neue Variablen.

Example (Call-By-Value)void tauschen(int x, int y) {

int temp = x; // speicher den Wert von x zwischenx = y; // überschreibe x mit dem Wert von yy = temp; // überschreibe y mit dem Wert von temp

// …int a = 23, b = 42;

tauschen(a, b);

cout << a << " " << b << endl;

Call-By-Value

Definition (Call-By-Value)Die Parameterübergabe Call-By-Value kopiert Argumente eines Funktions-oder Methodenaufrufs in neue Variablen.

Example (Call-By-Value)void tauschen(int x, int y) {

int temp = x; // speicher den Wert von x zwischenx = y; // überschreibe x mit dem Wert von yy = temp; // überschreibe y mit dem Wert von temp

// …int a = 23, b = 42;

tauschen(a, b);

cout << a << " " << b << endl;a = 23 und b = 42 keineVeränderung

Call-By-Reference

Definition (Call-By-Reference)Die Parameterübergabe Call-By-Reference kopiert die Speicheradresse derArgumente in neue Referenzen.

Example (Call-By-Reference)void tauschen(int& x, int& y) {

int temp = x;

x = y;

y = temp;

// …int a = 23, b = 42;

tauschen(a, b);

cout << a << " " << b << endl;

Call-By-Reference

Definition (Call-By-Reference)Die Parameterübergabe Call-By-Reference kopiert die Speicheradresse derArgumente in neue Referenzen.

Example (Call-By-Reference)void tauschen(int& x, int& y) {

int temp = x;

x = y;

y = temp;

// …int a = 23, b = 42;

tauschen(a, b);

cout << a << " " << b << endl; a = 42 und b = 23 ,11/39

Pointer-Based Call-By-Reference

Definition (Call-By-Pointer)Die Parameterübergabe Pointer-Based Call-By-Reference kopiert dieSpeicheradresse der Argumente in Pointer/Zeiger.

Example (Pointer-Based Call-By-Reference)void tauschen(int* x, int* y) {

int temp = *x;

*x = *y;

*y = *temp;

// …int a = 23, b = 42;

tauschen(&a, &b);

cout << a << " " << b << endl;

Pointer-Based Call-By-Reference

Definition (Call-By-Pointer)Die Parameterübergabe Pointer-Based Call-By-Reference kopiert dieSpeicheradresse der Argumente in Pointer/Zeiger.

Example (Pointer-Based Call-By-Reference)void tauschen(int* x, int* y) {

int temp = *x;

*x = *y;

*y = *temp;

// …int a = 23, b = 42;

tauschen(&a, &b);

cout << a << " " << b << endl; a = 42 und b = 23 ,12/39

Inhaltsverzeichnis

2 Arrays

Was ist ein Array?

strukturierter Datentypenthält ein oder mehrere Elemente des gleichen Datentypsdie Elemente sind sequenziell im Speicher angeordnet

Definition eines Arrays ist wie folgt:

int array[10];

Anzahl der Elemente muss zur Compilezeit feststehen

Zugriff auf die einzelnen Elemente erfolgt über [] und fängt bei 0 an

std::cout << array[0] << std::endl;

Initialisierung erfolgt über:

int array[] = {'T', 'H', 'M'};

int array[3] = {'T', 'H', 'M'};

Array im Speicher

Example (Array-Initialisierung)int array[] = {1, 3, 5};

Adresse Wert0x120

0x122 10x124 30x128 50x12B

Array im Speicher

Example (Array-Initialisierung)int array[] = {1, 3, 5};

Name des Arrays ist ein Pointer auf das erste Element

Adresse Wert0x120

0x122 10x124 30x128 50x12B

Arrays als Funktions- oder Methodenparameter

Example (Funktionsparameter)#include <iostream>

void array_ausgabe(int a[], int size) {

for (int i = 0; i < size; i++) {

std::cout << a[i] << std::endl;

int main() {

int a[5] = {10, 20, 30, 40, 50};

array_ausgabe(a, 5);

int main() {

int a[5] = {10, 20, 30, 40, 50};

Übergabe eines Pointersauf das erste Elementund die Größe des Ar-rays

int main() {

int a[5] = {10, 20, 30, 40, 50};

Der Compiler übersetztint a[] zu int a*

Arrays und Pointer-Arithmetik

Name des Arrays ist ein Pointer auf das erste ElementPointer kann man rechnen, dabei kommt es auf den Datentyp drauf an

Example (Addition)if (array[2] == *(array + 2)) {

cout << "Der Ausdruck is gleich" << endl;

Example (Subtraktion)int array[10] ;

int* ptr1 = array + 2 ;

int* ptr2 = array + 5 ;

cout << (ptr2 - ptr1) ; // Gibt 3 auscout << (ptr1 - ptr3) ; // Gibt −3 aus

Arrays und Pointer-Arithmetik (Int)

Example (Array-Initialisierung)int array[3]; // Int ist in der Regel 4 Bytes groß

array[0]

0x100←− array

array[1]

0x104←− array + 1

array[2]

0x108←− array + 2

Arrays und Pointer-Arithmetik (Short)

Example (Array-Initialisierung)short array[3]; // Short ist in der Regel 2 Bytes groß

array[0]0x100←− array

array[1]0x102←− array + 1

array[2]0x104←− array + 2

Mehrdimensionale Arrays

Arrays können n Dimensionen haben2-dimensionales Array wird wie folgt definiert

// 4 Zeilen 5 Spaltenint matrix[4][5] = { {10,20,30,40,50},

{15,25,35,45,55},

{20,30,40,50,60},

{25,35,45,55,65}};

Zugriff auf einzelne Elemente über [Reihe][Spalte]

cout << matrix[2][3] << endl; // gibt 50 aus

Inhaltsverzeichnis

2 Arrays

Einleitung

Arbeitsspeicher, Hauptspeicher, RandomAccess Memory (RAM)

Enthält temporäre Daten

Flüchtig→ Daten gehen nach demAusschalten verlorenHohe Geschwindigkeit im Vergleich zurFestplatte

Datenraten: 6–30 GByte/sAbbildung: Bild von Eric Hamiter

Speicherverwaltung

Kein Programm hat direkten Zugriff auf den Arbeitsspeichern, sondernnur auf virtuellen Speicher

Die virtuelle Speicherverwaltung wird von nahezu allenBetriebssystemen verwendet

Virtuelle Speicherverwaltung 1

Arbeitsspeicher

Page Table0x500

Virtueller Speicher

Virtuelle Speicherverwaltung 2

VorteileDas Betriebssystem kümmert sich um das Speichermanagement

Jeder Prozess darf nur seinen Speicher sehen

Arbeitsspeicher kann über die Festplatte erweitert werden (SWAP)

Stack und Heap

Stack (strukturiert)Funktions/Methoden ParameterLokale VariablenFunktions/Methoden Rückgabewerte

Heap (unstrukturiert)dynamischer Speicher

DataStatische und globale Variablen

Code (Text)enthält die ausführbaren Instruktionenschreibgeschützt

Code (Text)

Data (BSS)

Stack (Datenstruktur)

Stack ist eine Last-in-First-out (LIFO) Datenstruktur

push pop

1 void second_fn(int a) {

2 int b = a;

45 void first_fn(void) {

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

1011 int main(void) {

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

2 int b = a;

6 int zahl = 3;

7 char z = 'c';

8 second_fn(zahl);

12 int x = 23, y = 42;

13 first_fn();

main()

int x = 23;

int y = 42;

first_fn()

main(), line 14

int zahl = 3;

char z = 'c';

second_fn()

first_fn(), line 9

int a = 3;

int b = 3;

Stack Overflow

Stack hat nur eine begrenzte GrößeFalls der Speicher aufgebraucht ist, führt das zu einem Stack Overflow

weitere Alloziierungen schwappen in andere Speicherbereiche über

Stack Overflow#include <iostream>

int main(void) {

int stack[100000000]; // Int−Array mit 100.000.000 Eintraegen}

Stack Overflow

Stack hat nur eine begrenzte GrößeFalls der Speicher aufgebraucht ist, führt das zu einem Stack Overflow

weitere Alloziierungen schwappen in andere Speicherbereiche über

Stack Overflow#include <iostream>

int main(void) {

int stack[100000000]; // Int−Array mit 100.000.000 Eintraegen}

Vor- und Nachteile des Stacks

VorteileProgrammierInn braucht sich nicht um die Aufräumarbeitenkümmern

Keine Pointer notwendig, da der Zugriff direkt erfolgt

dadurch schneller

NachteileGröße muss zur Compilezeit feststehen

Stack ist nicht besonders groß→ Stack Overflow

langsamer bei call-by-value da viel Kopierarbeit geleistet werden muss

Übungsaufgabe: Stack (Datenstruktur)

Programmieren Sie eine Klasse Stack die eine Integer-Stack verwaltet. Diefolgenden Methoden müssen dazu implementiert werden:

void push(int x);

int pop();

unstrukturierter Speicher den man zur Laufzeit vom Betriebssystemanfordern kann

Speichergröße steht erst zur Laufzeit fest, daher bekommt man vom OSnur einen Pointer

Example (In C)int* zahl = malloc(sizeof(int));

// …free(zahl);

Example (In C++)int* zahl = new int;

// …delete zahl;

Heap Darstellung

main()

int* ptr = 0x100;

first_fn()

main(), line 14

Punkt* ptr = 0x4fa;

second_fn()

first_fn(), line 9

Klasse* ptr = 0x2b4

objekt

Arrays dynamisch auf dem Heap alloziieren

Arrays mit dynamischer Größe mit new auf dem Heap alloziieren

cout << "Wie groß soll das Array werden";

cin >> anzahl;

int* dynArray = new int[anzahl];

Speicher muss wieder mit delete gelöscht werden

delete[] dynArray;

Arrays dynamisch auf dem Heap alloziieren

Arrays mit dynamischer Größe mit new auf dem Heap alloziieren

cout << "Wie groß soll das Array werden";

cin >> anzahl;

int* dynArray = new int[anzahl];

Speicher muss wieder mit delete gelöscht werden

delete[] dynArray;

Objekte auf dem Heap

Objekte auf dem Heap erzeugen mit new

Klasse* objekt = new Klasse();

Zugriffe auf Attribute und Methoden würde normalerweise soaussehen:

(*objekt).attribut = 23;

(*objekt).vergroessern();

Vereinfachung über den -> Operator

objekt->attribut = 23;

objekt->vergroessern();

Example (Stack)#include <iostream>

#include "Rechteck.h"

using namespace std;

int main(void) {

Rechteck quadrat;

quadrat.hoehe = 23;

quadrat.breite = 23;

quadrat.vergroessern(10);

cout << quadrat.flaecheninhalt();

Example (Heap)#include <iostream>

int main(void) {

Rechteck* quadrat = new Rechteck();

quadrat->hoehe = 23;

quadrat->breite = 23;

quadrat->vergroessern(10);

cout << quadrat->flaecheninhalt();

delete quadrat;

Example (Stack)#include <iostream>

int main(void) {

Rechteck quadrat;

quadrat.hoehe = 23;

quadrat.breite = 23;

quadrat.vergroessern(10);

cout << quadrat.flaecheninhalt();

Example (Heap)#include <iostream>

int main(void) {

Rechteck* quadrat = new Rechteck();

quadrat->hoehe = 23;

quadrat->breite = 23;

quadrat->vergroessern(10);

cout << quadrat->flaecheninhalt();

delete quadrat;

Memory Leaks sind Bugs

Example (Memory-Leak)Klasse* objekt = new Klasse();

//…Klasse* objekt2 = new Klasse();

objekt = objekt2;

delete objekt;

Vor- und Nachteile des Heaps

VorteileSpeicher kann zur Laufzeit allokiert werden

Dynamisch allokierter Speicher bleibt allokiert bis er mit deletegelöscht wird

Heap ist größer als der Stack, daher könnten dort große Array oderObjekte allokiert werdne

NachteileMemory-Leaks

Zusammenfassung

Pointer/Referenzen sind Datentypen die Speicheradressen speichern

Unterschied zwischen Pointer und Referenzen

Funktions- und Methodenaufrufe über Call-by-Value,Call-By-Reference und Pointer-Based Call-by-Reference

Arrays und was diese mit Pointern gemeinsam haben

Grundsatzliche Funktionsweise der Speicherverwaltung

Unterschied Stack und Heap

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