Чому для нульового вказівника використовується нульова адреса?

У C (або C ++ для цього питання) вказівники є особливими, якщо вони мають значення нуля: мені рекомендується встановлювати покажчики в нуль після звільнення їх пам'яті, оскільки це означає, що звільнення вказівника знову не небезпечно; коли я дзвоню malloc, він повертає вказівник зі значенням нуль, якщо він не може отримати мені пам'ять; Я if (p != 0)весь час використовую, щоб переконатися, що передані покажчики є дійсними тощо.

Але оскільки адресація пам’яті починається з 0, чи не 0 так само дійсна адреса, як і будь-яка інша? Як 0 можна використовувати для обробки нульових покажчиків, якщо це так? Чому замість цього не є від'ємне число?

Редагувати:

Купа хороших відповідей. Я підсумую сказане у відповідях, висловлених так, як мій власний розум інтерпретує це, і сподіваюся, що громада виправить мене, якщо я неправильно зрозумію.

• Як і все в програмуванні, це абстракція. Просто константа, не дуже пов’язана з адресою 0. C ++ 0x підкреслює це, додаючи ключове слово nullptr.

• Це навіть не абстракція адреси, це константа, визначена стандартом C, і компілятор може перевести її на якесь інше число, якщо це гарантує, що він ніколи не дорівнює "реальній" адресі, і дорівнює іншим нульовим покажчикам, якщо 0 не є найкраще значення для використання на платформі.

• Якщо це не абстракція, як це було в перші дні, система 0 використовує систему 0 і виключає обмеження для програміста.

• Зізнаюсь, моя негативна пропозиція про кількість була трохи дикою мозковою атакою. Використання підписаного цілого числа для адрес мало марно, якщо це означає, що крім нульового вказівника (-1 або будь-якого іншого) простір значень розділено рівномірно між позитивними цілими числами, які роблять дійсні адреси та негативними числами, які щойно втрачаються.

• Якщо будь-яке число завжди представлене типом даних, воно дорівнює 0. (Можливо, це теж 1. Я думаю про однорозрядне ціле число, яке було б 0 або 1, якщо без знака, або просто підписаний біт, якщо він підписаний, або два бітові цілі числа, які було б [-2, 1]. Але тоді ви можете просто перейти до 0, коли нуль, а 1 - єдиний доступний байт у пам'яті.)

Все-таки є щось, що не вирішено в моїй свідомості. Питання Переповнення стека Вказівник на конкретну фіксовану адресу говорить мені, що навіть якщо 0 для нульового вказівника є абстракцією, інші значення вказівника необов'язково. Це змушує мене опублікувати ще одне запитання про переповнення стека. Чи можу я коли-небудь хочу отримати доступ до нульової адреси? .

2 бали:

• лише постійне значення 0 у вихідному коді є нульовим покажчиком - реалізація компілятора може використовувати будь-яке значення, яке воно хоче або потребує у запущеному коді. Деякі платформи мають спеціальне значення покажчика, яке є "недійсним", яке може використовуватись як нульовий покажчик. У FAQ часто виникає питання: "Серйозно, чи справді машини використовували ненульові нульові покажчики чи різні подання для покажчиків на різні типи?" , це вказує на кілька платформ, які використовували цю властивість 0 як нульовий вказівник у джерелі C, а під час виконання представлені по-різному. Стандарт C ++ містить примітку, в якій чітко видно, що перетворення "інтегрального постійного виразу зі значенням нуль завжди дає нульовий покажчик,

• негативне значення може бути таким же корисним платформою, як і адреса - стандарт C просто повинен був вибрати щось для використання для позначення нульового вказівника, і вибрано нуль. Я чесно не впевнений, чи враховувались інші вартості.

Єдині вимоги до нульового вказівника:

• гарантовано порівняти нерівне вказівник з фактичним об’єктом
• будь-які два нульові покажчики порівнятимуть рівними (C ++ уточнює це таким чином, що це потрібно лише для покажчиків на один і той же тип)

Історично в тому випадку, що адресний простір, починаючи з 0, завжди був ПЗУ, який використовується для деякої операційної системи або низькорівневого режиму обробки переривань, в даний час, оскільки все є віртуальним (включаючи адресний простір), операційна система може відображати будь-яке виділення на будь-яку адресу, тому воно може конкретно НЕ виділяйте нічого за адресою 0.

IIRC, значення "нульовий покажчик" не гарантовано дорівнює нулю. Компілятор переводить 0 у будь-яке "нульове" значення, що підходить для системи (що на практиці, ймовірно, завжди дорівнює нулю, але не обов'язково). Цей же переклад застосовується кожного разу, коли ви порівнюєте покажчик проти нуля. Оскільки ви можете порівнювати лише вказівники один проти одного та проти цього спеціального значення-0, це захищає програміста від того, щоб знати що-небудь про представлення пам'яті системи. Що стосується того, чому вони обрали 0 замість 42 або колись, я думаю, це тому, що більшість програмістів починають рахувати з 0 :) (Також у більшості систем 0 перша адреса пам'яті, і вони хотіли, щоб це було зручно, оскільки в практикуйте переклади, як я описую, рідко насправді відбуваються; мова їх просто дозволяє).

Ви повинні нерозуміти значення постійного нуля в контексті покажчика.

Ні в C, ні в C ++ покажчики не можуть "мати значення нуля". Покажчики не є арифметичними об’єктами. Вони не можуть мати числові значення, такі як "нуль" або "мінус", або щось подібне. Тож ваше твердження про "покажчики ... мають значення нуль" просто не має сенсу.

У C & C ++ вказівники можуть мати зарезервоване значення null-pointer . Фактичне подання значення нульового вказівника не має нічого спільного з будь-якими «нулями». Це може бути абсолютно все, що підходить для даної платформи. Це правда, що на більшості платформ нульове вказівне значення фізично представлене фактичним нульовим значенням адреси. Однак якщо на якійсь платформі адреса 0 використовується з якоюсь метою (тобто вам може знадобитися створити об’єкти за адресою 0), значення нульового вказівника на такій платформі, швидше за все, буде іншим. Наприклад, це може бути фізично представлене як 0xFFFFFFFFадресне значення або як 0xBAADBAADадресне значення.

Тим не менш, незалежно від того, як значення нульового вказівника представлено на даній платформі, у вашому коді ви все одно будете продовжувати позначати нульові покажчики постійними 0. Для того, щоб призначити значення нульового вказівника даному покажчику, ви продовжуватимете використовувати вирази типу p = 0. Відповідальність компілятора - усвідомити те, що ви хочете, і перекласти його у відповідне представлення значення нуля-вказівника, тобто перекласти його в код, який, наприклад, помістить адресне значення 0xFFFFFFFFу покажчик p.

Коротше кажучи, той факт, що ви використовуєте 0у своєму коді сортування для генерування нульових знаків-покажчиків, не означає, що значення нульового вказівника якось прив’язане до адреси 0. Те, 0що ви використовуєте у своєму вихідному коді, - це просто "синтаксичний цукор", який абсолютно не має відношення до фактичної фізичної адреси, на яку "вказує" значення нульового вказівника.

Але оскільки адресація пам’яті починається з 0, чи не 0 є так само дійсною адресою, як і будь-яка інша?

У деяких / багатьох / всіх операційних системах адреса пам'яті 0 якось особлива. Наприклад, він часто відображається на недійсну / неіснуючу пам'ять, що викликає виняток, якщо ви намагаєтесь отримати доступ до неї.

Чому замість цього не є від'ємне число?

Я думаю, що значення вказівників зазвичай трактуються як безпідписані числа: інакше, наприклад, 32-бітний покажчик зможе адресувати лише 2 ГБ пам'яті, а не 4 ГБ.

Я можу припустити, що магічне значення 0 було вибрано для визначення недійсного вказівника, оскільки його можна було перевірити за допомогою менших інструкцій. Деякі мови машини автоматично встановлюють нульові і підписують прапори відповідно до даних під час завантаження регістрів, щоб ви могли перевірити нульовий покажчик простим завантаженням та інструкціями гілки, не виконуючи окремої інструкції порівняння.

(Більшість ISA встановлюють прапори лише за інструкціями ALU, але не завантажують. І зазвичай ви не створюєте покажчики за допомогою обчислень, за винятком компілятора при аналізі джерела C. Але принаймні вам не потрібна довільна константа ширини вказівника для порівняти проти.)

На Commodore Pet, Vic20 та C64, які були першими машинами, над якими я працював, оперативна пам’ять почалася з розташування 0, тому цілком можна було читати та писати за допомогою нульового вказівника, якщо ви цього дуже хотіли.

Я думаю, що це просто умовність. Для позначення недійсного вказівника повинно бути якесь значення.

Ви просто втрачаєте один байт адресного простору, що рідко має бути проблемою.

Немає негативних покажчиків. Покажчики завжди не підписані. Також якщо вони можуть бути негативними, ваша умовна умова означає, що ви втрачаєте половину адресного простору.

Хоча C використовує 0 для представлення нульового вказівника, майте на увазі, що значення самого вказівника може бути не нульовим. Однак більшість програмістів використовуватимуть лише ті системи, де нульовий покажчик насправді дорівнює 0.

Але чому нуль? Ну, це одна адреса, якою ділиться кожна система. І найчастіше низькі адреси зарезервовані для цілей операційної системи, тому значення працює і як поза межами прикладних програм. Випадкове присвоєння цілого значення покажчику так само ймовірно, що в кінцевому підсумку вийде нуль, як і все.

Історично мало пам'яті програми займали системні ресурси. Саме в ті дні нульове значення стало за замовчуванням.

Хоча це не обов'язково стосується сучасних систем, все-таки погана ідея встановлювати значення вказівника будь-що, крім того, що розподіл пам'яті вам передав.

Щодо аргументу про невстановлення покажчика на нульове значення після його видалення, щоб майбутні видалення "викривали помилки" ...

Якщо ви насправді дуже переживаєте з цього приводу, тоді кращим підходом, який гарантовано працює, є використання твердження про ():

...
assert(ptr && "You're deleting this pointer twice, look for a bug?");
delete ptr;
ptr = 0;
...

Це вимагає додаткової набору тексту та однієї додаткової перевірки під час збирання налагодження, але це неодмінно дасть вам те, що ви хочете: зауважте, коли ptr буде видалено "двічі". Альтернатива, наведена в обговоренні коментарів, не встановлюючи покажчик на нуль, щоб ви отримали збій, просто не гарантується успіхом. Гірше, на відміну від вищезазначеного, це може спричинити збій (або набагато гірше!) У користувача, якщо один із цих «помилок» потрапить на полицю. Нарешті, ця версія дозволяє продовжувати запускати програму, щоб побачити, що насправді відбувається.

Я усвідомлюю, що це не відповідає на поставлене запитання, але я побоювався, що хтось, читаючи коментарі, може прийти до висновку, що вважається "хорошою практикою" НЕ встановлювати покажчики на 0, якщо можливо, їх відправляють безкоштовно () або видалити двічі. У тих кількох випадках, коли це можливо, НІКОЛИ не є хорошою практикою використовувати не визначене поведінку як інструмент налагодження. Ніхто, якому ніколи не довелося вишукувати помилку, яка в кінцевому рахунку була викликана видаленням недійсного вказівника, не запропонувала цього. Такі помилки займають години, щоб вистежити і майже завжди впливати на програму абсолютно несподіваним способом, який важко неможливо відстежити до початкової проблеми.

Важливою причиною, чому багато операційних систем використовують all-біт-нуль для представлення нульових покажчиків, є те, що цей засіб memset(struct_with_pointers, 0, sizeof struct_with_pointers)і подібне встановлять усі вказівники всередині struct_with_pointersнульових покажчиків. Це не гарантується стандартом С, але багато, багато програм припускають це.

На одній із старих машин DEC (PDP-8, я думаю) час виконання C захищав би пам'ять першої сторінки пам'яті, щоб будь-яка спроба отримати доступ до пам'яті в цьому блоці викликала б виняток.

Вибір вартості довільного є довільним, і це насправді вирішується наступною версією C ++ (неофіційно відомою як "C ++ 0x", найімовірніше, в майбутньому стане відомою як ISO C ++ 2011) із впровадженням ключове слово nullptrдля відображення нульового значення вказівника. У C ++ значення 0 може використовуватися як ініціалізуючий вираз для будь-якого ПОД і для будь-якого об'єкта з конструктором за замовчуванням, і воно має особливе значення присвоєння дозорного значення у випадку ініціалізації вказівника. Щодо того, чому не було вибрано негативне значення, адреси зазвичай коливаються від 0 до 2 ^N-1 для деякого значення N. Іншими словами, адреси зазвичай трактуються як непідписані значення. Якщо максимальне значення використовувалося як дозорне значення, то воно повинно було б змінюватися від системи до системи залежно від розміру пам'яті, тоді як 0 - це завжди представницька адреса. Він також використовується з історичних причин, оскільки адреса пам'яті 0 зазвичай не використовується в програмах, і в наш час більшість ОС мають частини ядра, завантажені в нижню сторінку (-и) пам'яті, і такі сторінки, як правило, захищені таким чином, що якщо торкнувшись (відпустити) програмою (зберегти ядро), це призведе до помилки.

Це має мати певну цінність. Очевидно, що ви не хочете наступати на цінності, які може законно захотіти користувач. Я б міркував, що оскільки час виконання C забезпечує сегмент BSS для даних, ініціалізованих за допомогою нуля, це має певну міру інтерпретувати нуль як неініціалізоване значення вказівника.

Рідко ОС дає змогу писати на адресу 0. Зазвичай, для того, щоб приклеювати специфічні для ОС речі в низькій пам'яті; а саме IDT, таблиці сторінок тощо (таблиці повинні бути в оперативній пам’яті, і їх легше вставити внизу, ніж намагатися визначити, де знаходиться верхня частина оперативної пам’яті.) І жодна ОС з розумом не дозволить вам редагувати системні таблиці мимоволі.

Це, можливо, не було в голові K&R, коли вони робили C, але це (поряд з тим, що 0 == null досить легко запам’ятати) робить 0 популярним вибором.

Значення 0- це особливе значення, яке набуває різних значень у конкретних виразах. Що стосується покажчиків, як уже багато разів зазначалося, воно використовується, ймовірно, тому, що в той час це був найзручніший спосіб сказати "вставити сюди значення довідкового за замовчуванням". Як постійний вираз, він не має такого ж значення, як побітовий нуль (тобто всі біти, встановлені в нуль) в контексті вираження вказівника. У C ++ є кілька типів, які не мають побітового нульового представлення NULLтаких, як член вказівника та функція вказівника на член.

До щастя, C ++ 0x має нове ключове слово «вираз , що означає , що відомий неприпустимий покажчик , який також не зіставити побітовий нуль для цілочисельних виразів»: nullptr. Хоча є кілька систем, на які можна націлити C ++, які дозволяють перенаправити адресу 0 без барфінгу, тому програміст остерігайтеся.

У цій темі вже багато хороших відповідей; напевно є багато різних причин 0віддати перевагу значення нульових покажчиків, але я збираюся додати ще дві:

• У C ++ нульовий ініціалізатор покажчика встановить його на нуль.
• У багатьох процесорах ефективніше встановити значення 0 або перевірити його на рівні / не дорівнює 0, ніж для будь-якої іншої постійної.

Це залежить від реалізації покажчиків у C / C ++. Немає конкретної причини, чому NULL еквівалентний у присвоєнні покажчику.

Для цього є історичні причини, але є й причини оптимізації.

В ОС звичайно забезпечувати процес із сторінками пам'яті, ініціалізованими до 0. Якщо програма хоче інтерпретувати частину цієї сторінки пам'яті як вказівник, то вона дорівнює 0, тому програмі досить просто визначити, що цей покажчик не ініціалізовано. (це не так добре, якщо застосовуватись до неініціалізованих флеш-сторінок)

Інша причина полягає в тому, що для багатьох процесорів дуже легко перевірити еквівалентність значення 0. Це іноді безкоштовне порівняння, яке проводиться без додаткових інструкцій, і, як правило, це можна зробити, не вказуючи нульове значення в іншому регістрі або як буквальний в потоці інструкцій для порівняння.

Дешеві порівняння для більшості процесорів мають підписані менше 0 і дорівнюють 0. (підписані більше 0 і не рівні 0 маються на увазі обох цих)

Оскільки 1 значення з усіх можливих значень потрібно зарезервувати як погане або неініціалізоване, то ви також можете зробити його таким, що має найдешевший тест на еквівалентність поганому значенню. Це також справедливо для символів, що закінчуються "\ 0".

Якби ви намагалися використовувати для цієї мети більше або менше 0, то в кінцевому підсумку ви розрізаєте наполовину свій діапазон адрес.

Константа 0використовується замість NULLтому , що C було зроблено деякими Cavemen трильйони років тому, NULL, NIL, ZIP, або NADDAб все зробив набагато більше сенсу , ніж 0.

Але оскільки адресація пам’яті починається з 0, чи не 0 є так само дійсною адресою, як і будь-яка інша?

Справді. Хоча багато операційних систем забороняють вам відображати що-небудь за нульовою адресою, навіть у віртуальному адресному просторі (люди зрозуміли, що C - це незахищена мова, і, відображаючи, що помилки з перенапрямленням нуля є дуже поширеними, вирішили "виправити" їх, заборонивши Код простору користувача для відображення на сторінку 0; Таким чином, якщо ви викликаєте зворотний дзвінок, але вказівник зворотного дзвінка NULL, ви не зможете виконати якийсь довільний код).

Як 0 можна використовувати для обробки нульових покажчиків, якщо це так?

Оскільки 0використовується в порівнянні з покажчиком буде замінено деяким конкретним значенням реалізації , яке є поверненим значенням malloc при збої в malloc.

Чому замість цього не є від'ємне число?

Це було б ще більш заплутано.

( Будь ласка, прочитайте цей параграф перед читанням повідомлення. Я прошу всіх, хто зацікавився читати цю публікацію, спробувати прочитати її уважно, і, звичайно, не зволікайте, поки ви не зрозумієте її повністю, дякую.)

Зараз вікі спільноти, як такий, якщо хтось не погоджується з будь-яким із понять, будь ласка, модифікуйте його з чітким і детальним поясненням того, що не так і чому, і, якщо можливо, наведіть джерела або надайте докази, які можуть бути відтворені.

Відповідь

Ось кілька інших причин, які можуть бути основними факторами для NULL == 0

1. Справа в тому, що нуль неправдивий, тому можна робити безпосередньо if(!my_ptr)замість цьогоif(my_ptr==NULL) .
2. Той факт, що неініційовані глобальні цілі числа ініціалізуються за замовчуванням на всі нулі, і як такий покажчик усіх нулів вважатиметься неініціалізованим.

Тут я хотів би сказати слово про інші відповіді

Не через синтаксичний цукор

Сказати, що NULL дорівнює нулю через синтаксичний цукор, не має занадто великого сенсу, якщо так, чому б не використовувати індекс 0 масиву, щоб утримати його довжину?

Насправді C - це мова, яка найбільше нагадує внутрішню реалізацію, чи є сенс говорити, що C вибрав нуль саме через синтаксичний цукор? Вони скоріше нададуть ключове слово null (як це роблять багато інших мов), а не відображення нуля в NULL!

Тому що, як сьогодні, це може бути просто синтаксичний цукор, зрозуміло, що початковий задум розробників мови С був не для синтаксичного цукру, як я покажу далі.

1) Специфікація

І хоча це правда, що специфікація C говорить від константи 0 як нульовий покажчик (розділ 6.3.2.3), а також визначає NULL, що визначається реалізацією (розділ 7.19 в специфікації C11 і 7.17 в специфікації C99), Фактом залишається факт, що у книзі "Мова програмування на C", яку написали винахідники C, у розділі 5.4 зазначено наступне:

C гарантує, що нуль ніколи не є дійсною адресою для даних, тому повернене значення нуля може використовуватися для сигналізації про ненормальну подію, в цьому випадку пробілу немає.

Покажчик і цілі числа не є взаємозамінними, нуль - єдиний виняток: постійний нуль може бути призначений покажчику, а вказівник може порівнюватися з постійним нулем. Символічна константа NULL часто використовується замість нуля, як мнемоніка, щоб більш чітко вказати, що це особливе значення для вказівника. NULL визначається в. Ми відтепер будемо використовувати NULL.

Як видно (зі слів "нульова адреса"), принаймні початковий намір авторів С був адресовим нулем, а не постійним нулем. Більше того, з цього уривку випливає, що причина специфікації говорить від постійний нуль, ймовірно, не виключає вираз, який оцінює нулю, а замість того, щоб включити цілий постійний нуль, щоб бути єдиною цілою постійною дозволеною для використання в контексті покажчика без кастингу.

2) Підсумок

Хоча специфікація прямо не говорить про те, що нульову адресу можна розглядати інакше, ніж нульову константу, вона не говорить про те, що ні, і той факт, що при роботі з константою з нульовим покажчиком вона не вимагає, щоб її реалізація була визначена як робить за NULL визначеною постійною, замість того, щоб стверджувати, що вона дорівнює нулю, показує, що може бути різниця між нульовою постійною та нульовою адресою.

(Однак якщо це так, я просто задаюся питанням, чому NULL визначена реалізацією, оскільки в такому випадку NULL також може бути постійним нулем, оскільки компілятор все одно повинен перетворити всі нульові константи у фактичну реалізовану NULL?)

Однак я не бачу цього в реальній дії, і на загальних платформах адреса нуль і постійний нуль трактуються однаково і кидають одне і те ж повідомлення про помилку.

Крім того, факт полягає в тому, що сьогоднішні операційні системи фактично зберігають всю першу сторінку (діапазон від 0x0000 до 0xFFFF), щоб запобігти доступу до нульової адреси через NULL вказівника C (див. Http://en.wikipedia.org/wiki/ Zero_page , а також "Windows Via C / C ++ Джефрі Ріхтер та Крістоф Насарр (опубліковано Microsoft Press)".

Таким чином, я просив би всіх, хто претендує на те, що він насправді бачив, вказувати платформу та компілятор та точний код, який він насправді робив (хоча через розпливче визначення у специфікації [як я показав] будь-який компілятор і платформа вільна робити все, що він хоче).

Однак, мабуть, здається, що автори C цього не мали на увазі, і вони говорили про "нульову адресу", і що "C гарантує, що це ніколи не дійсна адреса", а також "NULL - це просто мнемонічний ", чітко показуючи, що його первісний намір був не для" синтаксичного цукру ".

Не через операційну систему

Також заявляючи, що операційна система забороняє доступ до нульової адреси з кількох причин:

1) Коли було написано С, такого обмеження не було, як це можна побачити на цій вікі-сторінці http://en.wikipedia.org/wiki/Zero_page .

2) Справа в тому, що компілятори C отримали доступ до адреси пам'яті до нуля.

Це, мабуть, факт із наступного документа BellLabs ( http://www.cs.bell-labs.com/who/dmr/primevalC.html )

Два компілятори відрізняються деталями у тому, як вони справляються з цим. У попередній - початок знаходимо, називаючи функцію; пізніше початок просто вважається рівним 0. Це вказує на те, що перший компілятор був написаний ще до того, як у нас була машина з картою пам'яті, тому походження програми було не в розташуванні 0, тоді як до моменту другого, у нас був PDP-11, який надав картування.

(Насправді станом на сьогодні (як я цитував посилання з wikipedia та microsoft press), причина обмеження доступу до нульової адреси - через NULL-покажчики C! Отже, врешті-решт, виявляється навпаки!)

3) Пам'ятайте, що C також використовується для запису операційних систем і навіть компіляторів C!

Насправді C був розроблений для того, щоб записати на нього операційну систему UNIX, і як таке, мабуть, немає причин, чому вони повинні обмежуватися від нульової адреси.

(Обладнання) Пояснення про те, як комп’ютери (фізично) здатні отримати доступ до нульової адреси

Тут я хочу пояснити ще один момент, як взагалі можна посилатись на нуль?

Подумайте про це на секунду, адреси надходить процесором, а потім надсилаються як напруги на шині пам'яті, яка потім використовується системою пам'яті, щоб дістатись до фактичної адреси, і все ж адреса нуля означатиме відсутність напруги , то як фізичне обладнання системи пам'яті отримує доступ до адреси нульовим?

Здається, що відповідь, що нульова адреса є типовим, а іншими словами, адресна нуль завжди доступна системою пам'яті, коли шина пам'яті повністю відключена, і як такий будь-який запит на читання або запис, не вказуючи фактичну адресу (яка у випадку з нульовою адресою) автоматично отримує доступ до нуля адреси.