ポインターは、多くの人にとって最初は混乱する可能性がある概念です。特に、ポインター値をコピーして同じメモリーブロックを参照する場合は特にそうです。
一番の類似点は、ポインターを家の住所が記載された紙のようなものと見なし、メモリブロックが実際の家として参照することです。したがって、あらゆる種類の操作を簡単に説明できます。
以下にDelphiコードをいくつか追加し、必要に応じてコメントもいくつか追加しました。Delphiを選択した理由は、他の主要なプログラミング言語であるC＃が、メモリリークなどを同様に示さないためです。
ポインタの高レベルの概念のみを学習したい場合は、以下の説明で「メモリレイアウト」というラベルの付いた部分を無視してください。これらは、操作後のメモリの例を示すことを目的としていますが、実際には低レベルです。ただし、バッファオーバーランが実際にどのように機能するかを正確に説明するために、これらの図を追加することが重要でした。
免責事項：すべての意図と目的のために、この説明とメモリレイアウトの例は大幅に簡略化されています。低レベルでメモリを処理する必要がある場合、知っておく必要のあるオーバーヘッドと詳細が多くなります。ただし、メモリとポインタを説明する目的では、十分に正確です。
以下で使用されるTHouseクラスが次のようになっていると仮定します。
type
THouse = class
private
FName : array[0..9] of Char;
public
constructor Create(name: PChar);
end;
houseオブジェクトを初期化すると、コンストラクターに指定された名前がプライベートフィールドFNameにコピーされます。固定サイズの配列として定義されている理由があります。
メモリでは、家の割り当てに関連するオーバーヘッドがいくつかあります。これを以下のように説明します。
--- [ttttNNNNNNNNNN] ---
^ ^
| |
| +-FName配列
|
+-オーバーヘッド
「tttt」領域はオーバーヘッドです。通常、8バイトや12バイトなど、さまざまなタイプのランタイムや言語では、これよりも多くなります。この領域に格納されている値がメモリアロケータまたはコアシステムルーチン以外で変更されないようにする必要があります。変更しないと、プログラムがクラッシュするおそれがあります。
メモリを割り当てる
起業家に家を建ててもらい、家の住所を教えてください。現実の世界とは対照的に、メモリ割り当てはどこに割り当てるかを伝えることはできませんが、十分なスペースがある適切なスポットを見つけて、割り当てられたメモリにアドレスを報告します。
言い換えれば、起業家はスポットを選択します。
THouse.Create('My house');
メモリレイアウト：
--- [ttttNNNNNNNNNN] ---
1234：私の家
変数をアドレスで保持する
新しい家の住所を紙に書き留めます。この紙はあなたの家への参照として役立ちます。この紙切れがなければ、あなたは迷子になっていて、家に入っていなければ家を見つけることができません。
var
h: THouse;
begin
h := THouse.Create('My house');
...
メモリレイアウト：
h
v
--- [ttttNNNNNNNNNN] ---
1234：私の家
ポインタ値をコピー
新しい紙に住所を書いてください。これで、2つの別々の家ではなく、同じ家に行くための2枚の紙があります。1つの紙の住所をたどり、その家の家具を並べ替えようとすると、実際には1つの家だけであることが明確にわかる場合を除いて、他の家も同じように変更されているように見えます。
注これは通常、人に説明する上で最も問題がある概念です。2つのポインタは、2つのオブジェクトまたはメモリブロックを意味しません。
var
h1, h2: THouse;
begin
h1 := THouse.Create('My house');
h2 := h1; // copies the address, not the house
...
h1
v
--- [ttttNNNNNNNNNN] ---
1234：私の家
^
h2
メモリを解放する
家を破壊する。その後、必要に応じて、紙を新しい住所に再利用するか、クリアして、もう存在しない家の住所を忘れることができます。
var
h: THouse;
begin
h := THouse.Create('My house');
...
h.Free;
h := nil;
ここでは、まず家を建て、その住所を取得します。それから私は家に何かをし（それを使って...コード、読者の練習として残した）、それから私はそれを解放します。最後に、変数からアドレスをクリアします。
メモリレイアウト：
h <-+
v +-解放前
--- [ttttNNNNNNNNNN] --- |
1234私の家<-+
h（今はどこも指していない）<-+
+-解放後
---------------------- | （メモ、まだメモリ
xx34私の家<-+いくつかのデータが含まれています）
ぶら下がりポインタ
あなたは起業家に家を破壊するように言いましたが、紙から住所を消すのを忘れています。後で一枚の紙を見ると、家がもうそこにないことを忘れて訪問しに行きましたが、失敗しました（以下の無効な参照に関する部分も参照）。
var
h: THouse;
begin
h := THouse.Create('My house');
...
h.Free;
... // forgot to clear h here
h.OpenFrontDoor; // will most likely fail
h呼び出し後の使用.Free はうまくいくかもしれませんが、それは単なる幸運です。ほとんどの場合、顧客の場所で、重要な操作の途中で失敗します。
h <-+
v +-解放前
--- [ttttNNNNNNNNNN] --- |
1234私の家<-+
h <-+
v +-解放後
---------------------- |
xx34私の家<-+
ご覧のとおり、hはメモリ内のデータの残りを指していますが、完全ではない可能性があるため、以前のように使用すると失敗する可能性があります。
メモリーリーク
あなたは紙切れを失い、家を見つけることができません。家はまだどこかに立っており、後で新しい家を建てたいときに、その場所を再利用することはできません。
var
h: THouse;
begin
h := THouse.Create('My house');
h := THouse.Create('My house'); // uh-oh, what happened to our first house?
...
h.Free;
h := nil;
ここでは、h変数の内容を新しい家の住所で上書きしましたが、古い家はまだ残っています...どこかにあります。このコードの後、その家に到達する方法はなく、そのまま残されます。つまり、割り当てられたメモリは、アプリケーションが閉じるまで割り当てられたままであり、その時点でオペレーティングシステムはアプリケーションを破棄します。
最初の割り当て後のメモリレイアウト：
h
v
--- [ttttNNNNNNNNNN] ---
1234：私の家
2番目の割り当て後のメモリレイアウト：
h
v
--- [ttttNNNNNNNNNN] --- [ttttNNNNNNNNNN]
1234私の家5678私の家
このメソッドを取得するより一般的な方法は、上記のように上書きする代わりに、何かを解放するのを忘れることです。Delphiの用語では、これは次の方法で発生します。
procedure OpenTheFrontDoorOfANewHouse;
var
h: THouse;
begin
h := THouse.Create('My house');
h.OpenFrontDoor;
// uh-oh, no .Free here, where does the address go?
end;
このメソッドが実行された後、家の住所が存在する変数はありませんが、家はまだそこにあります。
メモリレイアウト：
h <-+
v +-ポインターを失う前
--- [ttttNNNNNNNNNN] --- |
1234私の家<-+
h（今はどこも指していない）<-+
+-ポインタを失った後
--- [ttttNNNNNNNNNN] --- |
1234私の家<-+
ご覧のように、古いデータはメモリにそのまま残り、メモリアロケータによって再利用されません。アロケータは、メモリのどの領域が使用されたかを追跡し、解放しない限りそれらを再利用しません。
メモリを解放するが（現在は無効）参照を保持する
家を解体し、紙の1つを消去しますが、古い住所が記載された別の紙もあります。住所に移動すると、家は見つかりませんが、廃墟のようなものが見つかるかもしれません。ひとつの。
おそらくあなたは家を見つけるかもしれませんが、それはあなたが最初にアドレスを与えられた家ではないので、それがあなたのものであるかのようにそれを使用する試みは恐ろしく失敗するかもしれません。
ときどき、隣接する住所に3つの住所（メインストリート1-3）を占めるかなり大きな家が設定されていて、家の真ん中にあなたの住所が表示されることがあります。大きな3アドレスの家のその部分を1つの小さな家として扱う試みも、恐ろしく失敗する可能性があります。
var
h1, h2: THouse;
begin
h1 := THouse.Create('My house');
h2 := h1; // copies the address, not the house
...
h1.Free;
h1 := nil;
h2.OpenFrontDoor; // uh-oh, what happened to our house?
ここでは家はで参照を通じて、取り壊されたh1、としながらh1も外された、h2古い、古く、アドレスを持っています。立っていない家へのアクセスは、機能する場合と機能しない場合があります。
これは、上記のぶら下がりポインタのバリエーションです。そのメモリレイアウトをご覧ください。
バッファオーバーラン
あなたが家に入れることができるよりも多くのものを家に移し、隣人の家や庭にこぼします。後でその隣の家の所有者が家に帰ると、彼は自分が所有していると思うあらゆる種類の物を見つけます。
これが、固定サイズの配列を選択した理由です。ステージを設定するために、割り当てた2番目の家が、何らかの理由で、メモリ内の最初の家の前に配置されると仮定します。つまり、2番目の家の住所は最初の家の住所よりも低くなります。また、それらは隣同士に割り当てられます。
したがって、このコード：
var
h1, h2: THouse;
begin
h1 := THouse.Create('My house');
h2 := THouse.Create('My other house somewhere');
^-----------------------^
longer than 10 characters
0123456789 <-- 10 characters
最初の割り当て後のメモリレイアウト：
h1
v
----------------------- [ttttNNNNNNNNNN]
5678私の家
2番目の割り当て後のメモリレイアウト：
h2 h1
vv
--- [ttttNNNNNNNNNN] ---- [ttttNNNNNNNNNN]
1234：他の家のどこかで
^ --- +-^
|
+-上書き
クラッシュを最も頻繁に引き起こすのは、実際にランダムに変更すべきではない、保存したデータの重要な部分を上書きする場合です。たとえば、プログラムのクラッシュに関してh1-houseの名前の一部が変更されても問題ではないかもしれませんが、壊れたオブジェクトを使用しようとすると、オブジェクトのオーバーヘッドを上書きするとクラッシュする可能性が高くなります。オブジェクト内の他のオブジェクトに保存されているリンクを上書きする。
リンクされたリスト
一枚の紙の住所をたどると、家に着きます。その家には、新しい住所が書かれた別の紙があり、チェーンの次の家などに続きます。
var
h1, h2: THouse;
begin
h1 := THouse.Create('Home');
h2 := THouse.Create('Cabin');
h1.NextHouse := h2;
ここでは、家からキャビンへのリンクを作成します。家にNextHouse参照がなくなるまで、つまり最後の家になるまで、チェーンをたどることができます。すべての家を訪問するには、次のコードを使用できます。
var
h1, h2: THouse;
h: THouse;
begin
h1 := THouse.Create('Home');
h2 := THouse.Create('Cabin');
h1.NextHouse := h2;
...
h := h1;
while h <> nil do
begin
h.LockAllDoors;
h.CloseAllWindows;
h := h.NextHouse;
end;
メモリレイアウト（オブジェクトにリンクとしてNextHouseを追加、下の図の4つのLLLLで注記）：
h1 h2
vv
--- [ttttNNNNNNNNNNLLLL] ---- [ttttNNNNNNNNNNLLLL]
1234ホーム+ 5678キャビン+
| ^ |
+ -------- + *（リンクなし）
基本的に、メモリアドレスとは何ですか？
メモリアドレスは、基本的には単なる数値です。メモリをバイトの大きな配列と考える場合、最初のバイトにはアドレス0があり、次のバイトにはアドレス1が続きます。これは単純化されていますが、十分です。
したがって、このメモリレイアウト：
h1 h2
vv
--- [ttttNNNNNNNNNN] --- [ttttNNNNNNNNNN]
1234私の家5678私の家
次の2つのアドレスがある場合があります（左端が-アドレス0です）。
つまり、上記のリンクリストは実際には次のようになります。
h1（= 4）h2（= 28）
vv
--- [ttttNNNNNNNNNNLLLL] ---- [ttttNNNNNNNNNNLLLL]
1234ホーム0028 5678キャビン0000
| ^ |
+ -------- + *（リンクなし）
通常、「どこも指し示さない」アドレスをゼロアドレスとして格納します。
基本的に、ポインタとは何ですか？
ポインタは、メモリアドレスを保持する単なる変数です。通常、プログラミング言語に番号を要求することができますが、ほとんどのプログラミング言語とランタイムは、番号自体が実際には意味を持たないという理由だけで、その下に番号があるという事実を隠そうとします。ポインタはブラックボックスと考えるのが最適です。それが機能する限り、実際にどのように実装されているかは、本当に知りませんし、気にしません。