Structures de données/Pointeurs

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Retour sur la gestion des variables en mémoire[modifier | modifier le wikicode]

Pour aborder la notion de pointeur, il convient de revenir sur la notion de variable. Nous devons regarder de plus près ce qu'il se passe au niveau de la machine quand on déclare une variable ou qu'on l'assigne.

Faisons donc un retour sur l'architecture des ordinateurs. Les variables sont stockées dans une mémoire statique : on peut représenter cette mémoire par un tableau. Chaque ligne de ce tableau est une "case" mémoire c'est à dire une zone où l'on peut stocker une donnée atomique (par exemple un entier). Dans la machine, toutes ces cases sont numérotées sur n bits (dépend de l'architecture de la machine en question). Ce numéro, attribué de façon unique à chaque case identifie la case : c'est l'adresse mémoire de la case.

Pour la suite nous utiliserons une machine 8 bits, bien que les machines PC grand public (x86) sont aujourd'hui (2006) des machines 32 bits, 64 bits pour les plus récentes.

Nous avons donc une mémoire dont l'adresse de chaque octet est codée sur un octet, ce qui nous fait 256 cases numérotées de 0 à 255, 00 à FF en hexadécimal (qu'on utilisera pour numéroter les cases mémoires)

StructDonnees Memoires vierge.svg

Que se passe-t-il quand on exécute un programme P ? Et bien le système d'exploitation qui exécute P va allouer au programme autant de place que nécessaire dans cette mémoire statique pour que toutes les variables du lexique de P puisse y être stockées. Les cases ainsi réservées seront représentées sur fond gris.

Exemple[modifier | modifier le wikicode]

Avec le programme suivant : il s'agit de l'algorithme inversion de deux variables étudié en algorithmique impérative) :

Algorithme inversion_calcul
Variables
  a : entier
  b : entier
...

Voici à quoi ressemble notre mémoire statique si notre machine code les entiers sur un octet (une case mémoire). Schéma de la mémoire avec deux cases a et b réservées :

StructDonnees Memoires inversion calcul.svg

À chaque assignation d'une variable, on affecte le contenu de la case mémoire dont l'adresse est contenu dans la variable. L'identifiant de la variable est en fait une abstraction, derrière l'identifiant d'une variable se cache l'adresse mémoire de son contenu.

La mémoire dynamique[modifier | modifier le wikicode]

En plus d'allouer à chaque programme une mémoire statique, le système d'exploitation alloue au programme P une mémoire dynamique. Dans notre exemple avec l'inversion de deux variables notre programme n'utilise que la mémoire statique. Nous aurions pu omettre de représenter sur nos schémas cette mémoire.

La mémoire dynamique a les mêmes caractéristiques que le mémoire statique telle que décrite précédemment. Les cases sont numérotées (nous supposerons là encore sur 8 bits : de 00 à FF)

Nous allons apprendre comment utiliser cette mémoire dynamique. Et ce, avec cet outil que sont les pointeurs.

Les pointeurs typés[modifier | modifier le wikicode]

Le pointeur est un nouveau type au même titres que les entiers, les caractères, chaînes de caractères, booléens et autres abordés en algorithmique impérative.

Il convient cependant de distinguer les pointeurs typés des pointeurs non-typés (également appelés génériques). Nous allons d'abord nous pencher sur les premiers et réserver les seconds pour plus tard.

Un pointeur typé indique le type de la donnée qu'il pointe. Il y a donc des pointeurs vers des entiers, des pointeurs vers des caractères, etc. Il convient d'affecter à des variables de types pointeur vers T uniquement des expressions de types pointeur vers T (tout comme on doit assigner à une variable de type entier une expression entière).

Spécification[modifier | modifier le wikicode]

On déclare un pointeur vers T (T : un type) comme suit :

Lexique
  identifiant_du_pointeur : ^T

On accède à la valeur pointée comme suit :

 identifiant_du_pointeur^

Cette expression est donc du type pointé : T

Ecrire(identifiant_du_pointeur) afficherait l'adresse mémoire ou est stockée la donné pointée (souvent en sous la forme hexadécimale) : dans notre cours ce n'est d'aucune utilité.

Utilisation[modifier | modifier le wikicode]

Pour stocker des données dans notre mémoire dynamique, il faut réserver l'espace nécessaire.

p est une variable de type pointeur (vers T, un type quelconque : entier...) :

Lexique
  p : ^T  (* un pointeur vers des données de type T *)

Au lancement du programme, il sera réservé dans le mémoire statique l'espace permettant de stocker ce pointeur. Voici la représentation de la mémoire à cet instant :

StructDonnees Memoires pointeur lexi.svg

On réserve l'espace nécessaire pour stocker une variable de type T en faisait appel à l'instruction :

new(p)

Voici l'effet produit par new sur la mémoire.

StructDonnees Memoires pointeur new.svg

Deux choses se sont produites :

  • De la mémoire a été réservée pour stocker une donnée de type T (la case pointée est grisée).
  • La variable p contient l'adresse mémoire de cet espace réservé (représenté par une flèche).

p contient alors l'adresse de l'espace qui nous pourront utilisé : on peut donc stocker le contenu de t en mémoire dynamique.

Pour utiliser l'espace pointé par p, nous utiliserons l'expression p^

p^:=???

L'espace pointé contient alors la valeur de l'expression qu'on a assigné :

StructDonnees Memoires pointeur assignation.svg

On peut libérer l'espace : c'est à dire indiquer au système d'exploitation que cette partie de la mémoire dynamique n'est plus utilisée et qu'il peut désormais en faire ce qu'il veut. Pour cela on utilise la procédure « réciproque » de new :

delete(p)

StructDonnees Memoires pointeur delete.svg

On remarquera qu'après un delete la donnée stockée ainsi que le pointeur restent en mémoire : la seule chose qui change est que l'espace en mémoire dynamique n'est plus réservé. La donnée pointée peut donc être écrasée. La valeur de p^ restera en mémoire tant que le système d'exploitation n'aura pas décidé d'attribuer cet espace. Remarquez que demander au processeur de supprimer les contenus qui ont été stockés serait une perte de temps puisque si cette partie de la mémoire venait à être utilisé, les données serait écrasées de toute façon.

Remarque : l'utilité de ce qui est expliqué dans cette partie « utilisation » peut échapper au lecteur. En effet, cette partie sert seulement à donner les procédures new et delete. Stocker la valeur de t dans la mémoire dynamique n'a aucun intérêt en soi puisque la valeur est déjà dans t. L'important est de comprendre comment (par new et delete) on peut stocker et lire des informations en mémoire dynamique.

Exemple avec des entiers[modifier | modifier le wikicode]

Remarque : encore une fois ce programme n'est d'aucune utilité. On pourrait en faire un équivalent sans utiliser de pointeurs. Le but est d'expliquer les mécanismes décrits précédemment.

Algorithme Exemple
Lexique
  a : entier
  b : entier
  p1 : ^entier
  p2 : ^entier
Début
  a:=1
  new(p1) (* on réserve de l'espace pour stocker un entier *)
  p1^:=a (* stocke 1 dans la zone mémoire pointée par p1 *)
  ecrire(p1^) (* affiche 1 *)
  a:=2
  ecrire(p1^) (* affiche 1 *)
  p2:=p1 (* p2 va pointer la zone mémoire pointée par p1 *)
  ecrire(p2^) (* affiche 1 *)
  p2^:=3 (* on place 3 dans la zone mémoire pointée par p2 *)
  ecrire(p1^) (* affiche 3 *)
  delete(p1) (* on libère la zone pointée par p1 et donc la zone pointée par p2 *)
  
  (* a se stade : plus aucune zone mémoire n'est réservée dans la mémoire dynamique *)
  
  new(p1)
  new(p2)
  p1^:=4
  p2^:=p1^+1
  ecrire(p2^) (* affiche 5 *)
  
  (* il est d'usage de libérer au maximum la mémoire dynamique : *)
  delete(p1)
  delete(p2)
Fin

Les pointeurs génériques[modifier | modifier le wikicode]

Un pointeur générique est un type de pointeur particulier puisqu'il ne donne pas d'information sur ce qu'il pointe. C'est simplement une adresse vers une zone mémoire.

Spécification[modifier | modifier le wikicode]

Il suffit de déclarer un pointeur comme suit

Lexique
  identifiant_du_pointeur : pointeur

Utilisation[modifier | modifier le wikicode]

Les pointeurs typés sont également des adresses mémoires donc on peut assigner les uns aux autres.

Lexique
  p : pointeur
  p_T : ^T

Ces opérations sont possibles :

p:=p_T
p_T:=t_T

Cependant, on ne peut utiliser les procédures new() et delete() en leur passant un pointeur générique en paramètre. En effet, le type de la donnée pointée étant inconnu le système d'exploitation de peut savoir combien d'espace réservé.

Exemple avec des entiers[modifier | modifier le wikicode]

Algorithme exemple
Lexique
  p : pointeur
  p_entier : ^entier
début
  new(p_entier)
  p_entier^:=1
  p:=p_entier
  p_entier:=p
  ecrire(p_entier^) (* affiche 1 *)
fin

Les effets de bord[modifier | modifier le wikicode]

Que se passe-t-il ?

Algorithme bogue
Lexique
  p : pointeur
  p_entier : ^entier
  p_caractere : ^caractere
début
  new(p_entier)
  p_entier^:=2645
  p:=p_entier
  p_caractere:=p (* pas de problème : on assigne une adresse mémoire à un pointeur (typé) *)
  (* Jusqu'ici aucun problème nous n'avons fait que des opérations permises *)
  ecrire(p_caractere^) (* ???? *)
fin