تعلم لغة سي التعامل مع المؤشرات Pointers في لغة سي C

تحدثنا في مقال سابق عن المؤشرات Pointers في لغة سي C وتعرفنا عليها بوصفها موضوعًا مهمًا للغاية في لغة سي، وسنكمل في هذا المقال الحديث عنها وكيفية التعامل معها مثل استخدامها ضمن التعابير التي تحوي عوامل الإسناد والزيادة والنقصان بالإضافة لأمثلة عملية، فإن لم تطلع على الفصل المذكور، فارجع له أولًا لارتباط المقالين مع بعضهما.

مؤشرات الدوال

من المفيد أن يكون لدينا إمكانية استخدام المؤشرات على الدوال، كما أن التصريح عن هذا النوع من المؤشرات سهلٌ عن طريق كتابته وكأنك تصرّح عن دالة على النحو التالي:

int func(int a, float b);

ومن ثم إضافة قوسين حول اسم الدالة والرمز * أمامه، مما يدل على أن هذا التصريح يعود لمؤشر. لاحظ أن التخلي عن القوسين يتسبب بالتصريح عن دالة تُعيد مؤشرًا حسب قوانين الأسبقية:

/* int دالةٌ تعيد مؤشرًا إلى قيمة صحيحة */
int *func(int a, float b);

/* مؤشر إلى دالة تعيد قيمة صحيحة int*/
int (*func)(int a, float b);

حالما تحصل على المؤشر تستطيع إسناد العنوان إلى النوع المحدد للدالة باستخدام اسمها، إذ يُحوَّل اسم الدالة إلى عنوان في أي تعبير تحتويه بصورةٍ مشابهة لاسم المصفوفة، ويمكنك استدعاء الدالة في هذه الحالة باستخدام إحدى الطريقتين:

(*func)(1,2);
/* or */
func(1,2);

تفضّل لغة سي المعيارية الطريقة الثانية، إليك مثالًا بسيطًا عنها:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void func(int);

main(){
      void (*fp)(int);

      fp = func;

      (*fp)(1);
      fp(2);

      exit(EXIT_SUCCESS);
}

void
func(int arg){
      printf("%d\n", arg);
}

[مثال 1]

يمكنك توظيف مصفوفة من المؤشرات التي تشير إلى مصفوفات مختلفة إذا أردت كتابة آلةً محدودة الحالات finite state machine، وسيبدو التصريح عنها مماثلًا لما يلي:

void (*fparr[])(int, float) = {
                              /* المهيئات initializers*/
                      };
/* استدعاء أحد القيم */

fparr[5](1, 3.4);

[مثال 17.5]

ولكننا لن نتكلم عن هذه الطريقة.

المؤشرات في التعابير

بعد إدخال الأنواع المؤهّلة qualified types ومفهوم الأنواع غير المُكتملة incomplete types مع استخدام مؤشر الفراغ * void، أصبح هناك بعض القواعد المعقدة عن مزج المؤشرات وما هو مسموحٌ لك فعليًا في العمليات الحسابية معها. قد تستطيع تجاوز هذه القواعد دون أي مشكلات، لأن معظمها "بديهي" ولكننا سنتكلم عنها بغض النظر عن ذلك، ولا شكّ أنك سترغب بقراءة معيار لغة سي لتحرّي الدقة، لأن ما سيأتي هو تفسير بلغة بسيطة لما ورد في المعيار.

لعلك لا تعلم بدقة ما الذي يقصده المعيار عندما يذكر مصطلحي الكائنات objects والأنواع غير المُكتملة incomplete types، فقد استخدمنا هذه المصطلحات حتى الآن بتهاون. يُعد الكائن جزءًا من البيانات المخزنة التي يمكن تفسير محتوياتها إلى قيمة، وبناءً على ذلك فالدالة ليست كائنًا؛ بينما يُعرف النوع غير المكتمل بكونه نوعًا معروفًا ذا اسم معروف لكن دون حجم محدّد بعد، ويمكنك الحصول على هذا النوع عن طريق وسيلتين، هما:

1. التصريح عن مصفوفة دون تحديد حجمها: int x[];‎ ويجب توفير المزيد من المعلومات بخصوص هذه المصفوفة في التعريف لاحقًا، ويبقى النوع غير مُكتملًا حتى الوصول لنقطة التعريف.
2. التصريح عن هيكل Structure أو اتحاد Union دون التعريف عن محتوياته، ويجب التعريف عن محتوياته لاحقًا في هذه الحالة، ويبقى النوع غير مُكتملًا حتى الوصول لنقطة التعريف.

سنناقش المزيد عن الأنواع غير المكتملة لاحقًا.

التحويلات

يمكن تحويل المؤشرات التي تشير إلى void إلى مؤشرات تشير إلى أي كائن أو نوع غير مكتمل، وتحصل على قيمةٍ مساوية لقيمة المؤشر الأصل بعد تحويل مؤشر يشير إلى كائن أو نوع غير مكتمل إلى مؤشر من نوع * void:

int i;
int *ip;
void *vp;

ip = &i;
vp = ip;
ip = vp;
if(ip != &i)
      printf("Compiler error\n");

يمكن تحويل مؤشر من نوع غير مؤهّل unqualified إلى مؤشر من نوع مؤهل، ولكن العكس غير ممكن، وستكون قيمة المؤشرين متكافئتين:

int i;
int *ip;
const int *cpi;

ip = &i;
cpi = ip;       /* مسموح*/
if(cpi != ip)
      printf("Compiler error\n");
ip = cpi;       /* ممنوع */

لا يساوي مؤشر ثابت فارغ null pointer constant (سنتكلم عن هذا النوع لاحقًا) أيّ مؤشر يشير لأي كائن أو دالة.

العمليات الحسابية

يمكن للتعابير Expressions أن تجمع (أو تطرح، وهو ما يكافئ جمع قيم سالبة) أعدادًا صحيحةً إلى قيمة المؤشرات بغض النظر عن نوع الكائن الذي تشير إليه، وتكون النتيجة مماثلةً لنوع المؤشر؛ وفي حالة إضافة القيمة n، فسيشير المؤشر إلى العنصر الذي يلي العنصر السابق ضمن المصفوفة بمقدار n، والاستخدام الأكثر شيوعًا لهذه الميزة هي بإضافة 1 إلى المؤشر لتمريره على المصفوفة من بدايتها إلى نهايتها، إلا أن استخدام قيم مغايرة للقيمة 1 والطرح بدلًا من الجمع ممكن.

نحصل على حالة طفحان overflow أو طفحان تجاوز الحد الأدنى underflow إذا كان المؤشر الناتج عن عملية الجمع يشير إلى ما يسبق المصفوفة أو ما يلي العنصر المعدوم الأخير للمصفوفة، وهذا يعني أن النتيجة غير مُعرّفة.

يملك العنصر الأخير الزائد في المصفوفة عنوانًا صالحًا، ويؤكد المعيار لنا ذلك، إلا أنه ليس من المفترض أن تحاول الوصول إلى ذلك العنصر، وعنوانه موجودٌ للتأكد من وجوده لتجنُّب الوقوع في حالة طفحان.

تعمّدنا استخدام الكلمة "تعبير" عوضًا عن قولنا "إضافة قيمة إلى المؤشر بنفسه"، إلا أنه يمكنك فعل ذلك شرط ألا يكون المؤشر مؤهلًا بالكلمة المفتاحية "const"، ويكافئ طبعًا استخدام عامل الزيادة "++" وعامل النقصان "--" جمع أو طرح واحد.

يمكن طرح مؤشرين من أنواع متوافقة compatible types أو غير مؤهلة من بعضهما بعضًا، وتكون النتيجة من النوع "ptrdiff_t"، المعرّف في ملف الترويسة stddef.h، إلا أنه يجب أن يشير كلا المؤشرين إلى المصفوفة ذاتها، أو على الأقل أن يشير واحدًا منها إلى ما بعد أو قبل المصفوفة، وإلا سنحصل على سلوك غير محدد، وتكون نتيجة عملية الطرح هي عدد العناصر التي تفصل المؤشرين ضمن المصفوفة. إليك المثال التالي:

int x[100];
int *pi, *cpi = &x[99]; /* x إلى العنصر الأخير من ال cpi يشير*/

pi = x;
if((cpi - pi) != 99)
      printf("Error\n");

pi = cpi;
pi++;                   /* increment past end of x */
if((pi - cpi) != 1)
      printf("Error\n");

التعابير العلاقية

تسمح لنا التعابير العلاقية بالمقارنة بين المؤشرات، لكن يمكنك فقط مقارنة:

• المؤشرات التي تشير لكائنات ذات أنواع متوافقة مع بعضها الآخر.
• المؤشرات التي تشير لأنواع غير مكتملة متوافقة مع بعضها الآخر.

ولا يهم إذا كانت الأنواع المُشارة إليها مؤهلة أو غير مؤهلة.

إذا تساوت قيم مؤشرين، فهذا يعني أن المؤشرين يشيران إلى الشيء ذاته، سواءٌ كان هذا الشيء كائنًا أو عنصرًا غير موجودًا خارج مصفوفة ما (راجع فقرة العمليات الحسابية أعلاه). تقدِّم العوامل العلاقية ">" و "=>" وغيرها النتيجة التي تتوقعها عند استخدامها مع المؤشرات ضمن نفس المصفوفة، وإذا كانت قيمة أحد المؤشرات أقل مقارنةً مع الآخر، فهذا يعني أنه يشير لقيمةٍ أقرب لمقدمة المصفوفة (العنصر ذو الدليل index الأقل).

يمكن إسناد مؤشر فارغ ثابت إلى مؤشر آخر، وسيكون متساوي مع مؤشر فارغ ثابت آخر إذا فحصناهما باستخدام عامل المقارنة، بينما لن يتساوى مؤشر فارغ ثابت أو غير ثابت عند مقارنتهما مع أي مؤشر آخر يشير لشيءٍ ما.

الإسناد

يمكنك استخدام المؤشرات مع عوامل الإسناد، شرط أن يستوفي الاستخدام الشروط التالية:

• يجب أن يكون الجانب الأيسر من عامل الإسناد مؤشرًا، وأن يكون الجانب الأيمن منه مؤشرًا فارغًا ثابتًا.
• يجب أن يكون مُعاملٌ من المعاملات مؤشرًا يشير إلى كائن أو نوع غير مُكتمل، والمعامل الآخر مؤشرًا إلى الفراغ "void"، سواءٌ كان مؤهلًا أو لا.
• يُعدّ المُعاملان مؤشرين لأنواع متوافقة سواءٌ كانت مؤهلةً أم لا.

يجب أن يكون للنوع المُشار إليه في الحالتين الأخيرتين على الجانب الأيسر من عامل الإسناد النوع ذاته من المؤهلات على الأقل، والموافق لمؤهل النوع الواقع على الجانب الأيمن من عامل الإسناد، أو أكثر من مؤهل مماثل.

يمكنك إذًا إسناد مؤشر يشير إلى قيمة صحيحة "int" إلى مؤشر يشير إلى قيمة من نوع عدد صحيح ثابت "const int" (مؤهلات النوع الأيسر تزيد عن مؤهلات النوع الأيمن) ولكن لا يمكنك إسناد مؤشر يشير إلى "const int" إلى مؤشر يشير إلى "int"، والأمر منطقي جدًا إذا أخذت لحظةً للتفكير به.

يمكن استخدام العاملين "=+" و "=-" مع المؤشرات طالما أن الجانب الأيسر من العامل مؤشر يشير إلى كائن، والجانب الأيمن من العامل تعبير ينتج قيمةً صحيحة integral، وتوضح قوانين العمليات الحسابية في الفقرات السابقة ما سيحصل في هذه الحالة.

العامل الشرطي

وضّحنا سابقًا سلوك العامل الشرطي conditional operator عند استخدامه مع المؤشرات.

المصفوفات وعامل & والدوال

ذكرنا عدّة مرات أنه يجري تحويل اسم المصفوفة إلى عنوانها وعنصرها الأول، وقلنا أن الاستثناء الوحيد هو عند استخدام اسم المصفوفة مع عامل "sizeof"، وهو عاملٌ مهمٌ إذا أردت استخدام الدالة "malloc"، إلا أن هناك استثناءً آخر، ألا وهو عندما يكون اسم المصفوفة مُعاملًا لعامل "&" (عنوان العامل)، إذ يُحوّل اسم المصفوفة هنا إلى عنوان كامل المصفوفة بدلًا من عنوان عنصرها الأول عادةً، لكن ما الفرق؟ لعلك تعتقد أن العنوانين متماثلان، إلا أن الفرق هو نوعهما، فبالنسبة لمصفوفةٍ تحتوي "n" عنصر بنوع "T"، يكون عنوان عنصرها الأول من نوع "مؤشر إلى T"، بينما يكون عنوان كامل المصفوفة من نوع " مؤشر إلى مصفوفة من n عنصر من نوع T"، وهو مختلف جدًا. إليك مثالًا عن ذلك:

int ar[10];
int *ip;
int (*ar10i)[10];       /* مؤشر لمصفوفة من 10 عناصر صحيحة */

ip = ar;                /* عنوان العنصر الأول */
ip = &ar[0];            /* عنوان العنصر الأول */
ar10i = &ar;            /* عنوان كامل المصفوفة */

أين تُستخدم المؤشرات إلى المصفوفات؟ في الحقيقة ليس غالبًا، إلا أننا نعلم أن التصريح عن مصفوفة متعددة الأبعاد هو في الحقيقة تصريح عن مصفوفة مصفوفات. إليك مثالًا يستخدم هذا المفهوم (إلا أن فهم ما يفعل يقع على عاتقك)، وليس من الشائع استخدام هذه الطريقة:

int ar2d[5][4];
int (*ar4i)[4]; /* مؤشر إلى مصفوفة من 4 أعداد صحيحة */

for(ar4i= ar2d; ar4i < &(ar2d[5]); ar4i++)
      (*ar4i)[2] = 0; /* ar2d[n][2] = 0 */

ما قد يثير اهتمامك أكثر من عناوين المصفوفات هو ما الذي قد يحدث عندما نصرِّح عن دالة تأخذ مصفوفةً في أحد وسطائها. بالنظر إلى أن المصفوفة تحوّل إلى عنوان عنصرها الأول فحتى لو حاولت تمرير مصفوفة إلى دالة باستخدام اسم المصفوفة وسيطًا، فسينتهي بك الأمر بتمرير مؤشر إلى عنصر المصفوفة الأول. لكن ماذا لو صرّحت عن الدالة بكونها تأخذ وسيطًا من نوع "مصفوفة من نوع ما" على النحو التالي:

void f(int ar[10]);

ما الذي يحدث في هذه الحالة؟ قد تفاجئك الإجابة هنا، إذ أن المصرّف ينظر إلى السطر السابق ويقول لنفسه "سيكون هذا مؤشرًا لهذه المصفوفة" ويعيد كتابة الوسيط على أنه من نوع مؤشر، ووفقًا لذلك نجد أن التصريحات الثلاثة التالية متكافئة:

void f(int ar[10]);
void f(int *ar);
void f(int ar[]);       /* !حجم المصفوفة هنا لا علاقة له */

قد تضع يدك على رأسك بعد هذه المعلومة، لكن تمهّل! إليك بعض الأسئلة للتهدئة من غضبك وإحباطك:

• لم كانت المعلومة السابقة منطقية؟
• لماذا تعمل التعابير بالصياغة [ar[5 أو أي صياغةٍ أخرى ضمن التصريح عن دالة، ثم داخل الدالة كما هو متوقعٌ منها؟

فكّر في الأسئلة السابقة، وستفهم استخدام المؤشرات مع المصفوفات بصورةٍ ممتازة عندما تتوصل لإجابة ترضيك.

ترجمة -وبتصرف- لقسم من الفصل Arrays and Pointers من كتاب The C Book

اقرأ أيضًا

• المقال التالي: هياكل البيانات: القوائم المترابطة Linked lists والأشجار Trees في لغة سي C
• المقال السابق: عامل sizeof وحجز مساحات التخزين في لغة سي C
• المؤشرات Pointers في لغة سي C
• التعامل مع المحارف والسلاسل النصية في لغة سي C