Указатели и ссылки: минимум для ардуинщика

Пульт полива держал настройки: целевая влажность, длительность полива, часы тишины — двенадцать байт, упакованные в структуру. Кнопки меняли значения, после каждой правки вызывалась функция sohrani(Nastroyki n), которая писала структуру в EEPROM — тем же приёмом, каким урок про первые настройки хранит порог полива. Всё выглядело рабочим ровно до первой перезагрузки: плата включалась со старыми настройками, потому что функция честно сохранила копию, которую ей передали, — а кнопки меняли оригинал. Три вечера я подозревал EEPROM, потом библиотеку, потом питание. Виноват оказался заголовок моей функции.

Передача по значению — поведение C++ по умолчанию: аргумент копируется целиком, и функция трудится с двойником. Для одиночного int из урока про свои функции это незаметно и безопасно. Для структуры — незаметно и катастрофично: функция сделала всё, что вы написали, только с чужой копией, а копия умерла на выходе. Двухчасовая охота за «не сохраняется» — типичная цена незнания, кто кому принадлежит.

Минимум про адреса, который нужен ардуинщику, умещается в один урок: амперсанд берёт адрес, звёздочка читает по адресу, ссылка — тот же адрес без звёздочек. В конце — симулятор: движок не эмулирует указатели, но массивы он передаёт как по ссылке, честно меняя оригинал, — и макетка это докажет вам руками. Про память как ресурс и три её вида мы говорили в уроке про память, здесь речь о том, как не копировать лишний раз то, что уже лежит в ОЗУ.

ОЗУ — это нумерованные ячейки по одному байту. Когда вы пишете int porog = 500, компилятор отводит под porog две ячейки, скажем с номером 512. Амперсанд &porog — это и есть номер: адрес переменной, обычное число вроде 512. Указатель — переменная, в которой хранится адрес: int* p = &porog. Звёздочка *p — обратная операция, разыменование: «пойди по адресу, что записан в p, и работай со значением там». Чтение и запись симметричны: *p + 1 читает 500, а *p = 501 меняет сам porog — никаких копий, работа по адресу.

Отсюда передача по указателю. Функция void uvelichi(int* p) { *p = *p + 1; } зовётся как uvelichi(&porog): вы отдали адрес, функция пришла по нему и изменила оригинал. После вызова porog равен 501, и это не магия, а почтальон, которому дали точный адрес вместо фотокопии письма. Ту же механику использует всё, что возвращает по адресу: EEPROM.put, getBytes, Wire.requestFrom — мы ходили по этим адресам в уроке про put и get структур.

Структура по указателю выглядит так: void pokazhi(Nastroyki* n) — поля достаются через стрелку, n->porog, потому что сначала надо дойти по адресу, а уже потом брать поле. Звёздочка с точкой (*n).porog — то же самое, но глаза слезятся, поэтому везде пишут стрелку. Минус указателя для новичка один, но серьёзный: указатель может показывать куда угодно, в том числе в никуда, и компилятор это не проверяет.

Ссылка — это указатель, с которого сняли звёздочки: Nastroyki& n внутри функции — псевдоним оригинала, а не копия. Внутри тела вы пишете n.porog как с обычной переменной, а вызываете функцию без всяких амперсандов: pomenyat(n). Под капотом — тот же адрес, та же работа с оригиналом, но синтаксис не даёт разыменоваться не туда, и нулевой ссылки не бывает: ссылку при рождении обязаны на что-то привязать.

Половину пользы даёт const. void pokazhi(const Nastroyki& n) — функция читает оригинал без копирования и без права писать в него; попытка изменить поле ловится компилятором на месте. И тип проверяется бесплатно: передать Nastroyki в функцию, ждущую ссылку на int, не выйдет — несоответствие типов сборка укажет до прошивки. Моё правило простое и экономит мне байты каждый день: структуры — всегда по ссылке, const-ссылка, если функция их не меняет; одиночные значения — по значению, копирование двух байт не стоит разговора; указатели — там, где их требует чужой API или нужен «может быть пусто».

Цена копирования не абстрактна. Структура настроек на 24 байта, которую вы передаёте по значению в функцию, живущую в loop(), — это 24 байта копирования каждый оборот: сотни раз в секунду на 16 МГц тратятся такты, а главное — каждое изменение внутри копии тихо умирает. Моё первое «не сохраняется» из начала урока стоило ровно одного амперсанда в заголовке функции, и это самые дешёвые исправленные три вечера в моей практике.

Осталось увидеть указатели в чужом коде — они уже живут в каждой библиотеке, которую вы подключаете. EEPROM.get(0, n) принимает структуру по ссылке — внутри шаблона прячется всё тот же адрес. Wire.requestFrom посылает по шине адрес, а Serial.readBytes(buf, n) ждёт имя массива и длину отдельно — и это не прихоть, а след простого правила: имя массива в C++ разваливается в адрес первого элемента. Поэтому в функции void obrabotka(int arr[]) вы не знаете размер — sizeof(arr) вернёт 2, размер указателя на AVR, а не длину массива. Я наступал на это один раз: в функции буфер «внезапно» имел длину 2 и цикл for по нему молча съедал чужую память. Правило одно: размер массива всегда передают вторым аргументом, как мы делали в симуляторе ниже — zapishi(arr, 4, znachenie).

И последнее различие, которое стоит запомнить: массив скопировать по значению нельзя — любой заголовок с int arr[] принимает адрес. Со структурой выбор остаётся за вами: Nastroyki n в аргументе — 24 байта двойника, Nastroyki& n — ноль копий. Это единственное место в уроке, где массив и структура ведут себя по-разному, и именно поэтому в таблице ниже у них разные строки.

Движок симулятора указателей и ссылок на одиночные переменные не умеет: амперсанд в аргументах он съедает, разыменования не исполняет. Зато массивы движок передаёт как по ссылке, честно: функция получает оригинал, и изменения живут после выхода. Макетка ниже — кольцевой буфер показаний потенциометра, та самая конструкция из урока про массивы-журнал: zapishi() пишет в общий массив и двигает голову, srednee() считает среднее, razgruzi() обнуляет весь массив изнутри функции. Кнопки докажут, что меняется оригинал, а не копия: после разрузки среднее снова станет нулём. Среднее здесь не декорация: одиночный замер с A0 прыгает на пару делений от шума, а среднее по четырём точкам буфера держит показание ровнее — тот же приём, что в гладких графиках датчиков.

На плате те же функции живут с теми же заголовками int arr[] — массив и в C++ передаётся как адрес первого элемента, поэтому в симуляторе модель точная, а не приблизительная. А вот int и структуры на плате передавайте по правилам из code-блока выше: амперсанд для указателя, амперсанд-ссылка для псевдонима.