Указатели в C++: зачем нужны, когда использовать и чем отличаются от обращения к объекту напрямую

Даже если большинство программистов понимают, в чем разница между объектами и указателями на них, иногда бывает не совсем понятно, в пользу какого из способов обращения к объекту стоит делать выбор. Ниже мы постарались ответить на этот вопрос.

Вопрос

Я заметил, что нередко программисты, чей код я видел, используют указатели на объекты чаще, чем сами эти объекты, т.е., например, используют следующую конструкцию:

			Object *myObject = new Object;
		

вместо:

			Object myObject;
		

Аналогично с методами. Почему вместо этого:

			myObject.testFunc();
		

мы должны писать вот это:

			myObject->testFunc();
		

Я так понимаю, что это дает выигрыш в скорости, т.к. мы обращаемся напрямую к памяти. Верно? P.S. Я перешел с Java.

Ответ

Заметим, кстати, что в Java указатели не используются в явном виде, т.е. программист не может в коде обратиться к объекту через указатель на него. Однако на деле в Java все типы, кроме базовых, являются ссылочными: обращение к ним происходит по ссылке, хотя явно передать параметр по ссылке нельзя. И еще, на заметку, new в C++ и в Java или C# — абсолютно разные вещи.

Для того, чтобы дать небольшое представление, что же такое указатели в C++, приведем два аналогичных фрагмента кода:

Java:

			Object object1 = new Object(); // Новый объект 
Object object2 = new Object(); // Еще один новый объект 
object1 = object2;// Обе переменные ссылаются на объект, на который раньше ссылалась object2
// При изменении объекта, на который ссылается object1, изменится и
// object2, потому что это один и тот же объект
		

Ближайший эквивалент на C++:

			Object * object1 = new Object(); // Память выделена под новый объект
// На эту память ссылается object1
Object * object2 = new Object(); // Аналогично со вторым объектом 
delete object1;
// В C++ нет системы сборки мусора, поэтому если этого не cделать,
// к этой памяти программа уже не сможет получить доступ,
// как минимум, до перезапуска программы
// Это называется утечкой памяти
object1 = object2; // Как и в Java, object1 указывает туда же, куда и object2
		

Однако вот это – совершенно другая вещь (C++):

			Object object1; // Новый объект 
Object object2; // Еще один 
object1 = object2;// Полное копирование объекта object2 в object1,
// а не переопределение указателя – очень дорогая операция
		

Но получим ли мы выигрыш в скорости, обращаясь напрямую к памяти?

На самом деле, совсем нет. Работа с указателями оформлена в виде кучи, в то время как работа с объектами – это стек, более простая и быстрая структура. Если вы новичок, то у нас для вас есть материал, в котором мы подробно рассказываем, что такое стек и куча.

Строго говоря, этот вопрос объединяет в себе два различных вопроса. Первый: когда стоит использовать динамическое распределение памяти? Второй: когда стоит использовать указатели? Естественно, здесь мы не обойдемся без общих слов о том, что всегда необходимо выбирать наиболее подходящий инструмент для работы. Почти всегда существует реализация лучше, чем с использованием ручного динамического распределения (dynamic allocation) и / или сырых указателей.

Динамическое распределение

В формулировке вопроса представлены два способа создания объекта. И основное различие заключается в сроке их жизни (storage duration) в памяти программы. Используя Object myObject;, вы полагаетесь на автоматическое определение срока жизни, и объект будет уничтожен сразу после выхода из его области видимости. А вот Object *myObject = new Object; сохраняет жизнь объекту до того момента, пока вы вручную не удалите его из памяти командой delete. Используйте последний вариант только тогда, когда это действительно необходимо. А потому всегда делайте выбор в пользу автоматического определения срока хранения объекта, если это возможно.

Обычно принудительное установления срока жизни применяется в следующих ситуациях:

• Вам необходимо, чтобы объект существовал и после выхода из области его видимости — именно этот объект, именно в этой области памяти, а не его копия. Если для вас это не принципиально (в большинстве случаев это так), положитесь на автоматическое определение срока жизни. Однако вот пример ситуации, когда вам может понадобиться обратить к объекту вне его области видимости, однако это можно сделать, не сохраняя его в явном виде: записав объект в вектор, вы можете “разорвать связь” с самим объектом — на самом деле он (а не его копия) будет доступен при вызове из вектора.
• Вам необходимо использовать много памяти, которая может переполнить стек. Здорово, если с такой проблемой не приходится сталкиваться (а с ней сталкиваются очень редко), потому что это “вне компетенции” C++, но к сожалению, иногда приходится решать и эту задачу.
• Вы, например, точно не знаете размер массива, который придется использовать. Как известно, в C++ массивы при определении имеют фиксированный размер. Это может вызвать проблемы, например, при считывании пользовательского ввода. Указатель же определяет только тот участок в памяти, куда будет записано начало массива, грубо говоря, не ограничивая его размер.

Если использование динамического распределения необходимо, то вам стоит инкапсулировать его с помощью умного указателя (что такое умный указатель можете прочитать в нашей статье) или другого типа, поддерживающего идиому “Получение ресурса есть инициализация” (стандартные контейнеры ее поддерживают — это идиома, в соответствии с которой ресурс: блок памяти, файл, сетевое соединение и т.п. — при получении инициализируется в конструкторе, а затем аккуратно уничтожается деструктором). Умными являются, например, указатели std::unique_ptr и std::shared_ptr.

Указатели

Однако есть случаи, когда использование указателей оправдано не только с точки зрения динамического распределения памяти, но почти всегда есть альтернативный путь, без использования указателей, который вам и следует выбрать. Как и ранее, скажем: всегда делайте выбор в пользу альтернативы, если нет особенной необходимости в использовании указателей.

Случаями, когда использование указателей можно рассматривать как возможный вариант, можно назвать следующие:

• Ссылочная семантика. Иногда может быть необходимо обратиться к объекту (вне зависимости от того, как под него распределена память), поскольку вы хотите обратиться в функции именно в этому объекту, а не его копии — т.е. когда вам требуется реализовать передачу по ссылке. Однако в большинстве случаев, здесь достаточно использовать именно ссылку, а не указатель, потому что именно для этого ссылки и созданы. Заметьте, что это несколько разные вещи с тем, что описано в пункте 1 выше. Но если вы можете обратиться к копии объекта, то и ссылку использовать нет необходимости (но заметьте, копирование объекта — дорогая операция).
• Полиморфизм. Вызов функций в рамках полиморфизма (динамический класс объекта) возможен с помощью ссылки или указателя. И снова, использование ссылок более предпочтительно.
• Необязательный объект. В этом случае можно использовать nullptr, чтобы указать, что объект опущен. Если это аргумент функции, то лучше сделайте реализацию с аргументами по умолчанию или перегрузкой. С другой стороны, можно использовать тип, который инкапсулирует такое поведение, например, boost::optional (измененный в C++14 std::optional).
• Повышение скорости компиляции. Вам может быть необходимо разделить единицы компиляции (compilation units). Одним из эффективных применений указателей является предварительная декларация (т.к. для использования объекта вам необходимо предварительно его определить). Это позволит вам разнести единицы компиляции, что может положительно сказаться на ускорении времени компиляции, внушительно уменьшив время, затрачиваемое на этот процесс.
• Взаимодействие с библиотекой C или C-подобной. Здесь вам придется использовать сырые указатели, освобождение памяти из-под которых вы производите в самый последний момент. Получить сырой указатель можно из умного указателя, например, операцией get. Если библиотека использует память, которая впоследствии должна быть освобождена вручную, вы можете оформить деструктор в умном указателе.