June 9, 2017
Introdução
O uso de ponteiros em C é um dos aspectos mais poderosos e importantes da linguagem, e ainda assim, um dos mais confusos para os iniciantes. O objetivo deste documento é fornecer uma introdução básica ao funcionamento e uso de ponteiros em C.
Importante: Vários conceitos foram simplificados para ajudar a compreensão do tópico principal, tais como a representação exata de números em memória, gerenciamento de memória e outros.
Premissas
Usaremos inteiros (int) para a maioria das explicações. Assuma que um inteiro na plataforma em questão tenha 4 bytes (32 bits).
O computador em questão tem “memória infinita”. Cada byte de memória pode ser acessado diretamente, pelo seu endereço (em hexa, no formato 0xNNNN).
Para simplificar o entendimento, todas as variáveis são estáticas (static) por default, ou seja, alocadas diretamente em memória e não na pilha (stack).
Variáveis e uso de memória.
Antes de entender ponteiros, é importante entender o relacionamento entre variáveis e memória. Considere o trecho de programa abaixo:
#include <stdio.h>
void soma(int a, int b) {
printf("%d + %d = %d\n", a, b, a + b);
}
int main() {
int foo;
int bar;
foo = 5;
bar = 6;
soma(foo, bar);
}
A declaração int foo declara uma variável do tipo inteiro. Quatro bytes serão
reservados em algum lugar na memória para guardar o valor dessa variável.
Imagine que o endereço de memória 0x1000 esteja disponível (a realidade é um
pouco diferente, mas a simplificação ajuda a compreensão). Nesse caso, após
essa linha a memória agora contém:
+----------------------------------------------+
| 0x1000 | | endereços
+-------------+--------------------------------+
| ?? ?? ?? ?? | | valores
+-------------+--------------------------------+
foo
Observe como a posição 0x1000 foi “reservada” para a variável “foo”, tomando 4 bytes. Observe também que o conteúdo é indefinido (representado aqui por “??”). Um printf nessa variável nesse momento resultará em valores indefinidos ou zero (dependendo da implementação do compilador.)
Agora, declaramos outra variável: “bar”, com int bar:
+---------------------------+------------------+
| 0x1000 | 0x1004 | | endereços
+-------------+-------------+------------------+
| ?? ?? ?? ?? | ?? ?? ?? ?? | | valores
+-------------+-------------+------------------+
foo bar
Mais quatro bytes foram alocados na memória para a variável “bar”. Como a posição 0x1000 já guarda a variável “foo”, a posição 0x1004 foi escolhida (0x1000 + 4 bytes).
A partir desse ponto, o compilador sabe que toda vez que uma referência for feita a variável “foo”, a posição de memória 0x1000 deve ser usada. Referências a variável “bar” vão usar a posição 0x1004.
Em seguida, o código guarda o valor 5 na variável “foo” com foo = 5 e o valor 6
na variável “bar” com bar = 6. O nosso “mapa de memória” agora é:
+---------------------------+------------------+
| 0x1000 | 0x1004 | | endereços
+-------------+-------------+------------------+
| 00 00 00 05 | 00 00 00 06 | | valores
+-------------+-------------+------------------+
foo bar
Observe como as posições de memória agora contém os valores de cada uma das variáveis.
Ao chamar a função “soma”, o compilador lê os nomes das variáveis a serem passadas para a função (“foo” e “bar”). O conteúdo de cada uma daquelas posições de memória é então copiado para a função, e a função executada. A função recebe uma cópia dos valores de “foo” e “bar” em variáveis locais chamadas “a” e “b”. As variáveis “a” e “b” estão alocadas em áreas completamente diferentes da memória.
Isso explica porque é impossível mudar o valor das variáveis externas de dentro da função. Se a função “soma” modificar o valor de “a”, ela na verdade está modificando o valor de uma outra área de memória (e não 0x1000 onde os valores originais foram guardados).
Na prática, as variáveis declaradas dentro de funções são guardadas em uma área temporária, e desaparecem quando a função retorna.
Claramente, é impossível modificar os valores originais de dentro da função, mas muitas vezes, é necessário fazer justamente isso. Imagine o exemplo de uma função que aceita 2 parâmetros, adicionando 1 ao primeiro e 2 ao segundo. Como fazer isso em C?
A solução é passar o endereço da variável para uma função e acessar os valores originais indiretamente (via ponteiros).
Ponteiros
Modificando o programa original:
#include <stdio.h>
void incrementa(int *a, int *b) {
*a = *a + 1;
*b = *b + 2;
}
int main() {
int foo;
int bar;
foo = 5;
bar = 6;
incrementa(&foo, &bar);
printf("Valor de foo: %d, valor de bar: %d\n", foo, bar);
}
A inicialização do programa é similar, com o compilador alocando uma área em memória para “foo” e outra para “bar” (vamos assumir novamente 0x1000 e 0x1004). A diferença é que agora a função “incrementa” é chamada com os endereços de “foo” e “bar” ao invés dos valores.
Em resumo, o operador “&var” passa o endereço da variável. Exemplo:
foo --> 5 Valor de foo (conteúdo da posição 0x1000)
&foo -> 0x1000 Endereço de foo na memória
bar --> 6 Valor de bar (conteúdo da posição 0x1004)
&bar -> 0x1004 Endereço de bar na memória
A função “incrementa” não recebe dois inteiros como a função “soma”, mas dois
ponteiros para inteiros (int *a, int *b). É importante lembrar que
variáveis guardam valores, e ponteiros guardam endereços. Exemplos abaixo:
int foo = 5; /* OK, foo = 5 */
int *pfoo; /* OK, definido um PONTEIRO para foo, mas ainda não usado */
int pfoo = 5; /* ERRO! Não faz sentido guardar valor num ponteiro! */
int foo = &foo; /* ERRO! Não faz sentido guardar um endereço num inteiro! */
int pfoo = &foo /* Correto! pfoo agora contem o endereço de foo */
Novamente:
- Variáveis sempre guardam valores.
- Ponteiros sempre guardam endereços.
Usando ponteiros
Observe a função “incrementa”:
void incrementa(int *a, int *b) {
*a = *a + 1;
*b = *b + 2;
}
O que acontece aqui? A função recebe 0x1000 e 0x1004 (lembre-se, os endereços de “foo” e “bar” foram passados para a função com &foo e &bar, não os valores). A partir daí, os ponteiros “a” e “b” (dentro da função) recebem os valores 0x1000 e 0x1004.
Ao usar um ponteiro, um asterisco na frente da variável declarada como ponteiro faz com que o compilador busque o conteúdo do endereço, como se fosse uma variável. Confuso(a)? Um exemplo simples explica melhor:
int foo = 5; /* foo = 5, &foo = 0x1000 */
int *pfoo; /* declarado ponteiro para int */
pfoo = &foo; /* pfoo = 0x1000 (pfoo "aponta" para foo) */
foo <-- 5
pfoo <-- 0x1000
*pfoo <-- 5
Repare como o asterisco na frente do ponteiro força o compilador a ler o valor contido no endereço do ponteiro. Isso permite que o endereço de uma variável seja passado para uma função e modificado de dentro da função.
No nosso caso:
- Os valores 0x1000 e 0x1004 são recebidos por “a” e “b” (int *)
- “a” contém o endereço de “foo” (0x1000)
- “b” contém o endereço de “bar” (0x1004)
- Ao executar
*a = *a + 1, o compilador pega o valor de “a” (0x1000, já que “a” é um ponteiro e recebeu o endereço de “foo”). Como usamos*a, o compilador pega o valor naquele endereço (5, que é a área de memória onde “foo” foi originalmente alocado), e adiciona 1. O valor é colocado de volta na área de memória apontada por “a” (0x1000) que é efetivamente a localização onde “foo” original foi guardado. O efeito final é modificar a memória onde “foo” foi guardado, efetivamente modificando o valor de “foo”. - O mesmo processo se repete com a variável “b”.
Ainda confuso(a)?
Existe outra maneira de pensar em ponteiros:
Imagine o seguinte caso:
int foo = 5;
int *pfoo = &foo;
O ponteiro é usado da seguinte forma:
pfoo ou &foo *pfoo ou foo
0x1000 ---------> 5
Casos muito mais complexos são possíveis, como ponteiros para ponteiros. É importante lembrar que alguns tipos (como estruturas) possuem sintaxes especiais para acesso via ponteiros. Em qualquer dos casos, a regra básica é:
Se:
ponteiro_var == &var
Então:
*ponteiro_var == var
Conclusão
A explicação neste texto é extremamente simplificada. O uso de ponteiros é extremamente importante em C, não só para permitir que funções modifiquem valores externos, mas também para manipular vetores e tipos mais complexos.