27/12/2014 chapitre 3 : les pointeurs
Chapitre 3 Les pointeurs
Toute variable manipulée dans un programme est stockée quelque part en mémoire centrale. Cette mémoire est constituée d’octets qui sont identifiés de manière univoque par un numéro qu’on appelle adresse. Pour retrouver une variable, il suffit donc de connaître l’adresse de l’octet où elle est stockée (ou, s’il s’agit d’une variable qui recouvre plusieurs octets contigus, l’adresse du premier de ces octets). Pour des raisons évidentes de lisibilité, on désigne souvent les variables par des identificateurs, et non par leur adresse. C’est le compilateur qui fait alors le lien entre l’identificateur d’une variable et son adresse en mémoire. Toutefois, il est parfois très pratique de manipuler directement une variable par son adresse.
3.1 Adresse et valeur d’un objet
On appelle Lvalue (left value) tout objet pouvant être placé à gauche d’un opérateur d’affectation. Une Lvalue est caractérisée par :
son adresse, c’estàdire l’adressemémoire à partir de laquelle l’objet est stocké ; sa valeur, c’estàdire ce qui est stocké à cette adresse.
Dans l’exemple,
int i, j; i = 3; j = i;
Si le compilateur a placé la variable i à l’adresse 4831836000 en mémoire, et la variable j à l’adresse 4831836004, on a
objet adresse valeur i 4831836000 3 j 4831836004 3 Deux variables différentes ont des adresses différentes. L’affectation i = j; n’opère que sur les valeurs des variables. Les variables i et j étant de type int, elles sont stockées sur 4 octets. Ainsi la valeur de i est stockée sur les octets d’adresse 4831836000 à 4831836003.
L’adresse d’un objet étant un numéro d’octet en mémoire, il s’agit d’un entier quelque soit le type de l’objet considéré. Le format interne de cet entier (16 bits, 32 bits ou 64 bits) dépend des architectures. Sur un DEC alpha, par exemple, une adresse a toujours le format d’un entier long (64 bits).
L’opérateur & permet d’accéder à l’adresse d’une variable. Toutefois &i n’est pas une Lvalue mais une constante : on ne peut pas faire figurer &i à gauche d’un opérateur d’affectation. Pour pouvoir manipuler des adresses, on doit donc recourir un nouveau type d’objets, les pointeurs.
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3.2 Notion de pointeur
Un pointeur est un objet (Lvalue) dont la valeur est égale à l’adresse d’un autre objet. On déclare un pointeur par l’instruction :
type *nom‐du‐pointeur; où type est le type de l’objet pointé. Cette déclaration déclare un identificateur, nom‐du‐pointeur, associé à un objet dont la valeur est l’adresse d’un autre objet de type type. L’identificateur nom‐du‐ pointeur est donc en quelque sorte un identificateur d’adresse. Comme pour n’importe quelle Lvalue, sa valeur est modifiable.
Même si la valeur d’un pointeur est toujours un entier (éventuellement un entier long), le type d’un pointeur dépend du type de l’objet vers lequel il pointe. Cette distinction est indispensable à l’interprétation de la valeur d’un pointeur. En effet, pour un pointeur sur un objet de type char, la valeur donne l’adresse de l’octet où cet objet est stocké. Par contre, pour un pointeur sur un objet de type int, la valeur donne l’adresse du premier des 4 octets où l’objet est stocké. Dans l’exemple suivant, on définit un pointeur p qui pointe vers un entier i :
int i = 3; int *p;
p = &i;
On se trouve dans la configuration
objet adresse valeur i 4831836000 3 p 4831836004 4831836000 L’opérateur unaire d’indirection * permet d’accéder directement à la valeur de l’objet pointé. Ainsi, si p est un pointeur vers un entier i, *p désigne la valeur de i. Par exemple, le programme
main() {
int i = 3; int *p;
p = &i; printf(« *p = %d \n »,*p); }imprime *p = 3.
Dans ce programme, les objets i et *p sont identiques : ils ont mêmes adresse et valeur. Nous sommes dans la configuration :
objet adresse valeur i 4831836000 3 p 4831836004 4831836000 *p 4831836000 3 Cela signifie en particulier que toute modification de *p modifie i. Ainsi, si l’on ajoute l’instruction *p = 0; à la fin du programme précédent, la valeur de i devient nulle.
On peut donc dans un programme manipuler à la fois les objets p et *p. Ces deux manipulations sont très différentes. Comparons par exemple les deux programmes suivants :
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main() {
int i = 3, j = 6; int *p1, *p2; p1 = &i; p2 = &j; *p1 = *p2; }etmain() {
int i = 3, j = 6; int *p1, *p2; p1 = &i; p2 = &j; p1 = p2; }Avant la dernière affectation de chacun de ces programmes, on est dans une configuration du type : objet adresse valeur i 4831836000 3 j 4831836004 6 p1 4831835984 4831836000 p2 4831835992 4831836004 Après l’affectation *p1 = *p2; du premier programme, on a
objet adresse valeur i 4831836000 6 j 4831836004 6 p1 4831835984 4831836000 p2 4831835992 4831836004 Par contre, l’affectation p1 = p2 du second programme, conduit à la situation :
objet adresse valeur i 4831836000 3 j 4831836004 6 p1 4831835984 4831836004 p2 4831835992 4831836004
3.3 Arithmétique des pointeurs
La valeur d’un pointeur étant un entier, on peut lui appliquer un certain nombre d’opérateurs arithmétiques classiques. Les seules opérations arithmétiques valides sur les pointeurs sont :
l’addition d’un entier à un pointeur. Le résultat est un pointeur de même type que le pointeur de départ ; la soustraction d’un entier à un pointeur. Le résultat est un pointeur de même type que le pointeur de départ ; la différence de deux pointeurs pointant tous deux vers des objets de même type. Le résultat est un entier.
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Notons que la somme de deux pointeurs n’est pas autorisée.
Si i est un entier et p est un pointeur sur un objet de type type, l’expression p + i désigne un pointeur sur un objet de type type dont la valeur est égale à la valeur de p incrémentée de i * sizeof(type). Il en va de même pour la soustraction d’un entier à un pointeur, et pour les opérateurs d’incrémentation et de décrémentation ++ et ‐‐. Par exemple, le programme
main() {
int i = 3; int *p1, *p2; p1 = &i; p2 = p1 + 1; printf(« p1 = %ld \t p2 = %ld\n »,p1,p2); }affiche p1 = 4831835984 p2 = 4831835988.
Par contre, le même programme avec des pointeurs sur des objets de type double :
main() {
double i = 3; double *p1, *p2; p1 = &i; p2 = p1 + 1; printf(« p1 = %ld \t p2 = %ld\n »,p1,p2); }affiche p1 = 4831835984 p2 = 4831835992.
Les opérateurs de comparaison sont également applicables aux pointeurs, à condition de comparer des pointeurs qui pointent vers des objets de même type.
L’utilisation des opérations arithmétiques sur les pointeurs est particulièrement utile pour parcourir des tableaux. Ainsi, le programme suivant imprime les éléments du tableau tab dans l’ordre croissant puis décroissant des indices.
#define N 5 int tab[5] = {1, 2, 6, 0, 7}; main() {
int *p; printf(« \n ordre croissant:\n »); for (p = &tab[0]; p <= &tab[N‐1]; p++)
printf( » %d \n »,*p); printf(« \n ordre decroissant:\n »); for (p = &tab[N‐1]; p >= &tab[0]; p‐‐)
printf( » %d \n »,*p); }Si p et q sont deux pointeurs sur des objets de type type, l’expression p ‐ q désigne un entier dont la valeur est égale à (p q)/sizeof(type) .
3.4 Allocation dynamique
Avant de manipuler un pointeur, et notamment de lui appliquer l’opérateur d’indirection *, il faut
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l’initialiser. Sinon, par défaut, la valeur du pointeur est égale à une constante symbolique notée NULL définie dans stdio.h. En général, cette constante vaut 0. Le test p == NULL permet de savoir si le pointeur p pointe vers un objet.
On peut initialiser un pointeur p par une affectation sur p. Par exemple, on peut affecter à p l’adresse d’une autre variable. Il est également possible d’affecter directement une valeur à *p. Mais pour cela, il faut d’abord réserver à *p un espacemémoire de taille adéquate. L’adresse de cet espacemémoire sera la valeur de p. Cette opération consistant à réserver un espacemémoire pour stocker l’objet pointé s’appelle allocation dynamique. Elle se fait en C par la fonction malloc de la librairie standard stdlib.h. Sa syntaxe est
malloc(nombre‐octets) Cette fonction retourne un pointeur de type char * pointant vers un objet de taille nombreoctets octets. Pour initialiser des pointeurs vers des objets qui ne sont pas de type char, il faut convertir le type de la sortie de la fonction malloc à l’aide d’un cast. L’argument nombre‐octets est souvent donné à l’aide de la fonction sizeof() qui renvoie le nombre d’octets utilisés pour stocker un objet.
Ainsi, pour initialiser un pointeur vers un entier, on écrit :
#include <stdlib.h> int *p; p = (int*)malloc(sizeof(int));
On aurait pu écrire également p = (int*)malloc(4); puisqu’un objet de type int est stocké sur 4 octets. Mais on préférera la première écriture qui a l’avantage d’être portable.
Le programme suivant
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> main() {
int i = 3; int *p; printf(« valeur de p avant initialisation = %ld\n »,p); p = (int*)malloc(sizeof(int)); printf(« valeur de p apres initialisation = %ld\n »,p); *p = i; printf(« valeur de *p = %d\n »,*p); }définit un pointeur p sur un objet *p de type int, et affecte à *p la valeur de la variable i. Il imprime à l’écran :
valeur de p avant initialisation = 0 valeur de p apres initialisation = 5368711424 valeur de *p = 3
Avant l’allocation dynamique, on se trouve dans la configuration
objet adresse valeur i 4831836000 3 p 4831836004 0 A ce stade, *p n’a aucun sens. En particulier, toute manipulation de la variable *p générerait une violation mémoire, détectable à l’exécution par le message d’erreur Segmentation fault.
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L’allocation dynamique a pour résultat d’attribuer une valeur à p et de réserver à cette adresse un espacemémoire composé de 4 octets pour stocker la valeur de *p. On a alors
objet adresse valeur i 4831836000 3 p 4831836004 5368711424 *p 5368711424 ? (int)
*p est maintenant définie mais sa valeur n’est pas initialisée. Cela signifie que *p peut valoir n’importe quel entier (celui qui se trouvait précédemment à cette adresse). L’affectation *p = i; a enfin pour résultat d’affecter à *p la valeur de i. A la fin du programme, on a donc
objet adresse valeur i 4831836000 3 p 4831836004 5368711424 *p 5368711424 3
Il est important de comparer le programme précédent avec
main() {
int i = 3; int *p;
p = &i; }qui correspond à la situation
objet adresse valeur i 4831836000 3 p 4831836004 4831836000 *p 4831836000 3 Dans ce dernier cas, les variables i et *p sont identiques (elles ont la même adresse) ce qui implique que toute modification de l’une modifie l’autre. Ceci n’était pas vrai dans l’exemple précédent où *p et i avaient la même valeur mais des adresses différentes.
On remarquera que le dernier programme ne nécessite pas d’allocation dynamique puisque l’espace mémoire à l’adresse &i est déjà réservé pour un entier.
La fonction malloc permet également d’allouer un espace pour plusieurs objets contigus en mémoire. On peut écrire par exemple
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> main() {
int i = 3; int j = 6; int *p; p = (int*)malloc(2 * sizeof(int)); *p = i; *(p + 1) = j;
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printf(« p = %ld \t *p = %d \t p+1 = %ld \t *(p+1) = %d \n »,p,*p,p+1,*(p+1)); }On a ainsi réservé, à l’adresse donnée par la valeur de p, 8 octets en mémoire, qui permettent de stocker 2 objets de type int. Le programme affiche p = 5368711424 *p = 3 p+1 = 5368711428 *(p+1) = 6 .
La fonction calloc de la librairie stdlib.h a le même rôle que la fonction malloc mais elle initialise en plus l’objet pointé *p à zéro. Sa syntaxe est
calloc(nb‐objets,taille‐objets)
Ainsi, si p est de type int*, l’instruction
p = (int*)calloc(N,sizeof(int));
est strictement équivalente à
p = (int*)malloc(N * sizeof(int)); for (i = 0; i < N; i++)
*(p + i) = 0;
L’emploi de calloc est simplement plus rapide.
Enfin, lorsque l’on n’a plus besoin de l’espacemémoire alloué dynamiquement (c’estàdire quand on n’utilise plus le pointeur p), il faut libérer cette place en mémoire. Ceci se fait à l’aide de l’instruction free qui a pour syntaxe
free(nom‐du‐pointeur); A toute instruction de type malloc ou calloc doit être associée une instruction de type free.
3.5 Pointeurs et tableaux
L’usage des pointeurs en C est, en grande partie, orienté vers la manipulation des tableaux.
3.5.1 Pointeurs et tableaux à une dimension
Tout tableau en C est en fait un pointeur constant. Dans la déclaration
int tab[10];
tab est un pointeur constant (non modifiable) dont la valeur est l’adresse du premier élément du tableau. Autrement dit, tab a pour valeur &tab[0]. On peut donc utiliser un pointeur initialisé à tab pour parcourir les éléments du tableau.
#define N 5 int tab[5] = {1, 2, 6, 0, 7}; main() {
int i; int *p;
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p = tab; for (i = 0; i < N; i++)
{
printf( » %d \n »,*p); p++; } }On accède à l’élément d’indice i du tableau tab grâce à l’opérateur d’indexation [], par l’expression tab[i]. Cet opérateur d’indexation peut en fait s’appliquer à tout objet p de type pointeur. Il est lié à l’opérateur d’indirection * par la formule
p[i] = *(p + i) Pointeurs et tableaux se manipulent donc exactement de même manière. Par exemple, le programme précédent peut aussi s’écrire
#define N 5 int tab[5] = {1, 2, 6, 0, 7}; main() {
int i; int *p; p = tab; for (i = 0; i < N; i++)
printf( » %d \n », p[i]); }Toutefois, la manipulation de tableaux, et non de pointeurs, possède certains inconvénients dûs au fait qu’un tableau est un pointeur constant. Ainsi
on ne peut pas créer de tableaux dont la taille est une variable du programme, on ne peut pas créer de tableaux bidimensionnels dont les lignes n’ont pas toutes le même nombre d’éléments.
Ces opérations deviennent possibles dès que l’on manipule des pointeurs alloués dynamiquement. Ainsi, pour créer un tableau d’entiers à n éléments où n est une variable du programme, on écrit
#include <stdlib.h> main() {
int n; int *tab;
… tab = (int*)malloc(n * sizeof(int));
… free(tab); }Si on veut en plus que tous les éléments du tableau tab soient initialisés à zéro, on remplace l’allocation dynamique avec malloc par
tab = (int*)calloc(n, sizeof(int));
Les éléments de tab sont manipulés avec l’opérateur d’indexation [], exactement comme pour les tableaux.
Les deux différences principales entre un tableau et un pointeur sont
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un pointeur doit toujours être initialisé, soit par une allocation dynamique, soit par affectation d’une expression adresse, par exemple p = &i ; un tableau n’est pas une Lvalue ; il ne peut donc pas figurer à gauche d’un opérateur d’affectation. En particulier, un tableau ne supporte pas l’arithmétique (on ne peut pas écrire tab++;).
3.5.2 Pointeurs et tableaux à plusieurs dimensions
Un tableau à deux dimensions est, par définition, un tableau de tableaux. Il s’agit donc en fait d’un pointeur vers un pointeur. Considérons le tableau à deux dimensions défini par :
int tab[M][N];
tab est un pointeur, qui pointe vers un objet luimême de type pointeur d’entier. tab a une valeur constante égale à l’adresse du premier élément du tableau, &tab[0][0]. De même tab[i], pour i entre 0 et M‐1, est un pointeur constant vers un objet de type entier, qui est le premier élément de la ligne d’indice i. tab[i] a donc une valeur constante qui est égale à &tab[i][0].
Exactement comme pour les tableaux à une dimension, les pointeurs de pointeurs ont de nombreux avantages sur les tableaux multidimensionnés.
On déclare un pointeur qui pointe sur un objet de type type * (deux dimensions) de la même manière qu’un pointeur, c’estàdire type **nom‐du‐pointeur; De même un pointeur qui pointe sur un objet de type type ** (équivalent à un tableau à 3 dimensions) se déclare par type ***nom‐du‐pointeur; Par exemple, pour créer avec un pointeur de pointeur une matrice à k lignes et n colonnes à coefficients entiers, on écrit :
main() {
int k, n; int **tab;
tab = (int**)malloc(k * sizeof(int*)); for (i = 0; i < k; i++)
tab[i] = (int*)malloc(n * sizeof(int));
….
for (i = 0; i < k; i++)
free(tab[i]); free(tab); }La première allocation dynamique réserve pour l’objet pointé par tab l’espacemémoire correspondant à k pointeurs sur des entiers. Ces k pointeurs correspondent aux lignes de la matrice. Les allocations dynamiques suivantes réservent pour chaque pointeur tab[i] l’espacemémoire nécessaire pour stocker n entiers.
Si on désire en plus que tous les éléments du tableau soient initialisés à zéro, il suffit de remplacer l’allocation dynamique dans la boucle for par
tab[i] = (int*)calloc(n, sizeof(int));
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Contrairement aux tableaux à deux dimensions, on peut choisir des tailles différentes pour chacune des lignes tab[i]. Par exemple, si l’on veut que tab[i] contienne exactement i+1 éléments, on écrit
for (i = 0; i < k; i++)
tab[i] = (int*)malloc((i + 1) * sizeof(int));
3.5.3 Pointeurs et chaînes de caractères
On a vu précédemment qu’une chaîne de caractères était un tableau à une dimension d’objets de type char, se terminant par le caractère nul ‘\0’. On peut donc manipuler toute chaîne de caractères à l’aide d’un pointeur sur un objet de type char. On peut faire subir à une chaîne définie par
char *chaine;
des affectations comme
chaine = « ceci est une chaine »;
et toute opération valide sur les pointeurs, comme l’instruction chaine++;. Ainsi, le programme suivant imprime le nombre de caractères d’une chaîne (sans compter le caractère nul).
#include <stdio.h> main() {
int i; char *chaine;
chaine = « chaine de caracteres »; for (i = 0; *chaine != ‘\0’; i++)
chaine++; printf(« nombre de caracteres = %d\n »,i); }La fonction donnant la longueur d’une chaîne de caractères, définie dans la librairie standard string.h, procède de manière identique. Il s’agit de la fonction strlen dont la syntaxe est strlen(chaine); où chaine est un pointeur sur un objet de type char. Cette fonction renvoie un entier dont la valeur est égale à la longueur de la chaîne passée en argument (moins le caractère ‘\0’). L’utilisation de pointeurs de caractère et non de tableaux permet par exemple de créer une chaîne correspondant à la concaténation de deux chaînes de caractères :
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> main() {
int i; char *chaine1, *chaine2, *res, *p;
chaine1 = « chaine « ; chaine2 = « de caracteres »; res = (char*)malloc((strlen(chaine1) + strlen(chaine2)) * sizeof(char)); p = res; for (i = 0; i < strlen(chaine1); i++)
*p++ = chaine1[i]; for (i = 0; i < strlen(chaine2); i++)
*p++ = chaine2[i]; printf(« %s\n »,res); }On remarquera l’utilisation d’un pointeur intermédiaire p qui est indispensable dès que l’on fait des opérations de type incrémentation. En effet, si on avait incrémenté directement la valeur de res, on
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aurait évidemment « perdu » la référence sur le premier caractère de la chaîne. Par exemple,
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> main() {
int i; char *chaine1, *chaine2, *res;
chaine1 = « chaine « ; chaine2 = « de caracteres »; res = (char*)malloc((strlen(chaine1) + strlen(chaine2)) * sizeof(char)); for (i = 0; i < strlen(chaine1); i++)
*res++ = chaine1[i]; for (i = 0; i < strlen(chaine2); i++)
*res++ = chaine2[i]; printf(« \nnombre de caracteres de res = %d\n »,strlen(res)); }imprime la valeur 0, puisque res a été modifié au cours du programme et pointe maintenant sur le caractère nul.
3.6 Pointeurs et structures
3.6.1 Pointeur sur une structure
Contrairement aux tableaux, les objets de type structure en C sont des Lvalues. Ils possèdent une adresse, correspondant à l’adresse du premier élément du premier membre de la structure. On peut donc manipuler des pointeurs sur des structures. Ainsi, le programme suivant crée, à l’aide d’un pointeur, un tableau d’objets de type structure.
#include <stdlib.h> #include <stdio.h>
struct eleve {
char nom[20]; int date; };typedef struct eleve *classe;
main() {
int n, i; classe tab;
printf(« nombre d’eleves de la classe = « ); scanf(« %d »,&n); tab = (classe)malloc(n * sizeof(struct eleve));
for (i =0 ; i < n; i++)
{
printf(« \n saisie de l’eleve numero %d\n »,i); printf(« nom de l’eleve = « ); scanf(« %s »,&tab[i].nom); printf(« \n date de naissance JJMMAA = « );
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scanf(« %d »,&tab[i].date); } printf(« \n Entrez un numero « ); scanf(« %d »,&i); printf(« \n Eleve numero %d: »,i); printf(« \n nom = %s »,tab[i].nom); printf(« \n date de naissance = %d\n »,tab[i].date); free(tab); }Si p est un pointeur sur une structure, on peut accéder à un membre de la structure pointé par l’expression (*p).membre L’usage de parenthèses est ici indispensable car l’opérateur d’indirection * à une priorité plus élevée que l’opérateur de membre de structure. Cette notation peut être simplifiée grâce à l’opérateur pointeur de membre de structure, noté ‐>. L’expression précédente est strictement équivalente à
p‐>membre Ainsi, dans le programme précédent, on peut remplacer tab[i].nom et tab[i].date respectivement par (tab + i)‐>nom et (tab + i)‐>date.
3.6.2 Structures autoréférencées
On a souvent besoin en C de modèles de structure dont un des membres est un pointeur vers une structure de même modèle. Cette représentation permet en particulier de construire des listes chaînées. En effet, il est possible de représenter une liste d’éléments de même type par un tableau (ou un pointeur). Toutefois, cette représentation, dite contiguë, impose que la taille maximale de la liste soit connue a priori (on a besoin du nombre d’éléments du tableau lors de l’allocation dynamique). Pour résoudre ce problème, on utilise une représentation chaînée : l’élément de base de la chaîne est une structure appelée cellule qui contient la valeur d’un élément de la liste et un pointeur sur l’élément suivant. Le dernier élément pointe sur la liste vide NULL. La liste est alors définie comme un pointeur sur le premier élément de la chaîne.
Pour représenter une liste d’entiers sous forme chaînée, on crée le modèle de structure cellule qui a deux champs : un champ valeur de type int, et un champ suivant de type pointeur sur une struct cellule. Une liste sera alors un objet de type pointeur sur une struct cellule. Grâce au motclef typedef, on peut définir le type liste, synonyme du type pointeur sur une struct cellule.
struct cellule {
int valeur; struct cellule *suivant; };typedef struct cellule *liste;
Un des avantages de la représentation chaînée est qu’il est très facile d’insérer un élément à un endroit quelconque de la liste. Ainsi, pour insérer un élément en tête de liste, on utilise la fonction suivante :
liste insere(int element, liste Q) {
liste L; L = (liste)malloc(sizeof(struct cellule)); L‐>valeur = element; L‐>suivant = Q; return(L); }Le programme suivant crée une liste d’entiers et l’imprime à l’écran :
#include <stdlib.h>
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#include <stdio.h>
struct cellule {
int valeur; struct cellule *suivant; };typedef struct cellule *liste;
liste insere(int element, liste Q) {
liste L; L = (liste)malloc(sizeof(struct cellule)); L‐>valeur = element; L‐>suivant = Q; return(L); }main() {
liste L, P;
L = insere(1,insere(2,insere(3,insere(4,NULL)))); printf(« \n impression de la liste:\n »); P = L; while (P != NULL)
{
printf(« %d \t »,P‐>valeur); P = P‐>suivant; } }On utilisera également une structure autoréférencée pour créer un arbre binaire :
struct noeud {
int valeur; struct noeud *fils_gauche; struct noeud *fils_droit; };typedef struct noeud *arbre;
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