Массивы указателей и массивы строк

Введение

В информатике под «массивом указателей» понимают упорядоченную коллекцию элементов, каждый из которых хранит адрес в памяти. Такие структуры часто используются для работы с набором динамически выделяемых объектов или строк. Количество элементов в массиве обычно обозначают как $n$.

Массив указателей - структура, представляющая собой последовательность указателей (адресов), размещённых в памяти подряд и доступных по индексу.

Массивы указателей особенно удобны, когда длины элементов различаются или когда требуется переиспользовать те же строки в нескольких местах программы без копирования. Они позволяют экономить память и работать с динамическими данными гибко и эффективно.

Объявление и инициализация

В языках семейства C/C++ массив указателей можно объявить как массив элементов типа «указатель на T». Например, для строк это часто выглядит как массив указателей на char. Такой массив можно инициализировать литералами строк, заранее подготовленными в сегменте данных программы.

Массив строк - специальный случай массива указателей, когда каждый указатель ссылается на начало символьной последовательности, завершающейся нулевым байтом.

При инициализации важно различать массив указателей на литералы и массив символов фиксированного размера. Литералы строк обычно помещаются в область памяти, доступную только для чтения, поэтому попытка изменить такую строку приведёт к неопределённому поведению.

Доступ к элементам и арифметика указателей

Доступ к элементам массива указателей по индексу даёт указатель на соответствную сущность. Если переменная p хранит адрес начала массива указателей, то адрес элемента с номером i можно записать как $p + i$, а доступ к самому указателю — как $*(p + i)$. Соответственно, доступ к строке через индекс часто записывают в виде $p[i]$.

Запись в стиле $p[i]$ в языках C-подобных позволяет обращаться к строкам точно так же, как к элементам обычного массива. За счёт правил приведения типов и адресной арифметики выражения с указателями выглядят компактно и производительно.

Две основные формы хранения строк

С точки зрения организации памяти строки чаще всего хранятся двумя способами. Первый — массив указателей на литералы, где каждый элемент содержит адрес начала строки в памяти. Второй — двумерный массив символов фиксированного размера, когда каждая строка занимает непрерывный блок одинакового размера.

В качестве примера фиксированного двумерного массива можно объявление вида $char\ names[3][10]$, где число строк и максимальная длина фиксированы на этапе компиляции. Для массива указателей пример инициализации литералами выглядит как $\text{char *names[] = \{\"Anna\", \"Bob\"\}}$.

Выбор между этими формами зависит от требований: если строки короткие и однотипные по длине, проще использовать двумерный массив; если длины варьируются или требуется экономия памяти, лучше массив указателей.

{IMAGE_0}

Передача массивов строк в функции

Массивы указателей удобно передавать в функции. Обычная сигнатура главной функции в программе на C демонстрирует это: $\text{int main(int argc, char *argv[])}$. Здесь параметр $argc$ хранит количество аргументов, а $argv[1]$ — массив строк, переданных программе.

При передаче массива указателей в функцию фактически передаётся адрес первого элемента массива, то есть указатель на указатель. Это значит, что внутри функции можно перемещаться по массиву, применяя те же приёмы адресной арифметики и индексирования.

Операции сравнения и стандартные функции

Для сравнения строк обычно используют библиотечную функцию strcmp, которая возвращает отрицательное, нулевое или положительное значение в зависимости от лексикографического отношения. Проверка «строка a меньше строки b» эквивалентна условию $strcmp(s1, s2) < 0$.

При работе с длиной строк часто используются функции sizeof и strlen. При этом важно помнить, что $\text{sizeof(s)}$ и $\text{strlen(s)}$ дают разные результаты: первая даёт размер объекта в байтах, вторая — длину строки до нулевого символа.

Практические алгоритмы: сортировка и поиск

Типичная задача — отсортировать массив строк в лексикографическом порядке. Для этого применяют алгоритмы сортировки, в которых сравнение элементов осуществляется вызовом strcmp и перестановкой указателей, а не самих символов. Такой подход экономит операции копирования.

Иллюстративный цикл обхода массива строк может содержать индексацию и управление итератором. Типичная конструкция цикла для прохода по n элементам использует инициализацию и условие вида $i = 0,\; i < n,\; i++$, где $n$ — количество элементов.

Указатели на указатели и динамическое выделение

Иногда требуется работать с переменным числом строк, которые выделяются в рантайме. Тогда используется указатель на указатель, например $char **pp$, и память под массив адресов выделяется динамически. После этого отдельные строки выделяют по мере необходимости и помещают их адреса в соответствующие ячейки.

При работе с динамической памятью важно отслеживать выделение и освобождение ресурсов, чтобы избежать утечек памяти. Пример операции присваивания адреса динамически выделенной строки в ячейку массива можно записать как $\text{arr}[i] = \text{strdup(s)}$.

Частые ошибки и рекомендации

Одной из распространённых ошибок является попытка изменить литерал строки через указатель — это приводит к неопределённому поведению, потому что литералы могут находиться в памяти только для чтения. Для безопасного изменения строки следует копировать её в массив символов или выделять динамически.

Ещё одна типичная ошибка — путаница между количеством байт в объекте и длиной строки: выражения $\text{sizeof(s)}$ и $\text{strlen(s)}$ часто используются неверно. Также следует помнить о размере базового типа: $\text{sizeof(char)}$ помогает оценить затраты памяти при статических массивах.

Итоговые советы

Массивы указателей и массивы строк — мощный инструмент для работы с текстовыми данными. Они позволяют экономно хранить информацию и обеспечивают гибкость при передаче данных между функциями. При выборе конкретной реализации учитывайте требования к производительности и возможные ограничения по памяти.

Практикуйтесь в создании простых утилит: подсчёт аргументов, сортировка строк, фильтрация по шаблону. Это поможет закрепить представления о том, как устроены массивы указателей и как безопасно с ними работать.