Penjelasan tentang pointer
pointer adalah built-in type di C dan C++, dimana C++ mengambil konsep pointer dari C. Pointer sebenarnya sangat terkait dengan “Abstract C Machine”, yaitu model mesin abstrak dimana program C bekerja. Abstract C Machine adalah mesin abstrak dimana mesin tersebut memiliki prosesor untuk menginterpretasikan stream of instruction, dan addressable memory yang terbagi kedalam 3 bagian : automatic memory, static memory dan free memory. Addressable memory adalah memory yang konten-nya dapat diambil jika diketahui alamatnya. Lebih jauh lagi, terdapat asumsi bahwa konten memori dapat di ambil dengan waktu konstan, tidak peduli berapa nilai alamat.Hal ini disebut dengan Random Access Memory.
— Penggunaan Awal Pointer
Jika variabel merupakan isi memori, dan untuk mengakses isi memori tersebut diperlukan address, lalu bagaimana cara kita mengetahui alamat dari suatu variabel ? Jawabannya adalah : untuk kebanyakan kasus kita sama sekali tidak perlu tahu alamat dari sebuah variabel. Untuk mengakses sebuah variabel kita hanya perlu nama dari variabel tersebut. Tugas kompiler lah yang mentranslasikan nama ke alamat mesin yang diperlukan oleh komputer.
Akan tetapi terdapat beberapa kasus dimana kita tidak mungkin memberi nama pada sebuah entitas di program kita. Hal ini terjadi terutama saat kita menggunakan data struktur dinamis seperti linked list, resizeable array, tree dan lain sebagainya. Hal ini karena kita tidak mungkin memberi nama terhadap entitas yang mungkin ada atau tidak ada. Struktur seperti linked list hampir mustahil dibuat tanpa pointer tanpa harus mendefinisikan LISP-like list.
Inilah awal mula penggunaan pointer sebagai moniker. Istilah moniker di sini berarti sesuatu yang menunjuk atau mengacu kepada entitas lain. Istilah moniker ini bukanlah istilah standard dan lazim , tetapi sesuatu yang saya pilih impromptu untuk membedakan dengan pointer atau reference yang sudah memiliki arti tersendiri.
Penggunaan lain pointer sebagai moniker adalah untuk mengatasi kelemahan bahasa C awal : Dahulu fungsi – fungsi di C hanya mengerti pass by value. Pointer digunakan untuk mengemulasi pass by reference karena pointer berisi alamat ke objek lain, sehingga fungsi tersebut dapat mengubah objek tersebut dengan memanipulasi pointer.
Pertanyaanya : siapa yang bertugas menentukan alamat objek yang di tunjuk oleh pointer dalam kasus ini ? jelas bukan kompiler karena objek tersebut tidak bernama. Apakah kita sebagai programmer menentukannya sendiri ? ternyata tidak. Hal tersebut ditentukan oleh fungsi malloc dan sejenisnya (dan juga new di C++), atau untuk kasus passing pointer ke dalam fungsi, operator &. Jadi dalam hal ini kita tidak juga menentukan alamat sebuah objek.
— Builtin Array di C dan C++
Sebelum membahas array di C dan di C++, ada baiknya kita membahas tentang array. Array adalah asosiasi antara sebuah index dengan nilai. Jika diketahui sebuah index, kita akan mengetahui nilainya. Dari definisi ini :
1. Tidak disebutkan bahwa index harus integer, atau tipe tertentu.
2. Tidak disebutkan range dari indexnya dimulai dari nilai tertentu, Bahkan tidak disebutkan bahwa indeks nya memiliki batas bawah maupun batas atas.
3. Tidak disebutkan bahwa nilai harus disimpan secara contigous, bahkan tidak disebutkan bahwa nilainya harus di simpan sama sekali.
akan tetapi :
1. Banyak bahasa pemrograman yang di desain tahun 60-an hingga tahun 70-an menentukan bahwa index array adalah integer atau sesuatu yang bisa dikonversi menjadi integer atau sesuatu yang memiliki nilai berurutan seperti integer.
2. Beberapa bahasa menentukan bahwa array dimulai dengan nilai tertentu. contohnya di C, array dimulai dari 0 sementara di Pascal Array dimulai dari 1. Dalam Algo-68 programmer dapat menentukan sendiri batas- batas array. Akan tetapi dalam semua bahasa pemrograman mengakses nilai dengan indeks yang di luar batas dianggap sebagai programming error.
3. Semua bahasa pemrogramman yang saya tahu menyimpan elemen – elemen array di memory. beberapa bahasa, misalnya C, menjamin bahwa elemen – elemen tersebut disimpan dalam memory yang contigous.
Sekarang tipe yang lebih mendekati definisi awal array tersedia dengan nama associative array. Tipe ini didukung oleh beberapa bahasa seperti PHP dan JavaScript, dan juga tersedia dalam beberapa bahasa lain sebagai library ( seperti std::map di C++).
Kembali ke C dan C++ array, kita dapat tentukan beberapa property array : zero based, contigous dan convertible to pointer. Banyak alasan dengan dipilihnya property seperti ini, tapi yang paling penting adalah efisiensi, yang akan kita bicarakan sebentar lagi. setiap array dapat dikonversi menjadi pointer yang menunjuk ke elemen pertama. Hal ini sangat konvenien mengingat dynamic array diciptakan dengan alokasi memori dari free memory (dengan fungsi calloc, yang berarti contigous alloc. yang aneh adalah fungsi ini berperilaku mirip dengan malloc kecuali dia menginisialisasi memori dengan nol. ). Kemudian kita tahu bahwa elemen dalam array di simpan secara berurutan, dengan demikian alamat semua elemen array adalah ptr + n * sizeof(elemen). Dengan mendefinisikan pointer arithmatic, didapat kesamaan ar[idx] == *(ar + idx). hal ini menimbulkan sesuatu yang menarik , ar[idx] == *(ar + idx) == *(idx + ar) == idx[ar] (yes, it is valid C !!).
Operasi pointer arithmatic lain juga didefinisikan untuk pointer. yang menarik adalah increment dan decrement. programmer dapat memeriksa semua elemen dalam array dengan cara menginkremen pointer dari pointer penunjuk elemen pertama. Tentu saja hal yang sama dapat dilakukan dengan indexing biasa, ar[idx], akan tetapi dengan operasi pointer bisa lebih efisien. Alasannya terletak pada bagaimana cara komputer membaca data di ar[idx]. Untuk mesin yang memiliki indexed addressing hal ini cukup sederhana dan efisien (ar jadi base, idx jadi index, fetching cukup 1 instruksi mov). Tetapi untuk mesin yang tidak memiliki indexed addressing, akan ada operasi ADD antara ar dan idx, lalu simpan hasilnya ke suatu tempat (register), lalu baru mov. Kadang – kadang register tersebut digunakan untuk operasi ADD sehingga terdapat beberapa mov untuk menyimpan state. Akan tetapi jika menggunakan pointer arithmatic, cukup meng-increase nilai yang sudah ada di register, lalu mov. Tentu saja instruksi di dalam loop juga mempengaruhi efisiensi ini, tetapi untuk mesin yang mendukung operasi increment langsung, iterasi lewat pointer biasanya lebih efisien.
Ini adalah penggunaan pointer sebagai iterator. Nama iterator diambil dari STL, dan iterator di STL adalah abstraksi dari pointer. Yang menakjubkan adalah konsep iterator, yang digeneralisasi dari pointer, adalah konsep yang cukup powerful untuk merepresentasikan semua algoritma yang bekerja untuk linear container ( linear container adalah semua container yang memiliki iterator yang menunjuk pada elemen pertama, memiliki iterator yang menunjuk pada elemen one-past-end, dan semua elemen dapat dicapai dengan melakukan operasi incremen dari iterator penunjuk elemen pertama sebanyak yang diperlukan. Contoh linear container adalah array, vector, linked – list, dan deque. contoh yang bukan linear container adalah graph dan forest.).
—Fixed memory Location
Dalam pemrograman, kita dihadapkan pada beberapa situasi seperti :
- setelah startup, prosesor 80386 akan memulai eksekusi pada alamat ( … lupa).
- Interrupt vector beberapa prosesor ditaruh pada alamat yang ditentukan oleh pembuat prosesor tersebut.
- Video Memory di DOS dimulai pada alamat (… lupa).
Situasi – situasi tersebut hanya mungkin terjadi jika kita memrogram “close to metal” e.g membuat operating system, atau kita memrogram dalam OS yang super primitif seperti DOS. Dalam kasus – kasus ini kita memerlukan pointer dengan alamat di set ke nilai tertentu. Ini adalah penggunaan pointer sebagai abstraksi alamat di hardware. Penggunaan ini adalah penggunaan pointer paling jarang.
— So, What’s a big deal about it ?
Ketiga fungsi pointer di atas memerlukan operasi yang berbeda- beda. Contohnya jika pointer berfungsi sebagai moniker, operasi yang sangat diperlukan adalah fungsi malloc, calloc, free, new, delete, operator ->, operator * dan operator &. sebagai moniker pointer tidak memerlukan konvertability ke integer dan operasi pointer arihmatic (walaupun ada trik mengakses field struct dari pointer dengan meng-cast pointer to struct menjadi char*, tambahkan offsetnya, lalu baca dengan operator * dan di cast ke tipe field tersebut. trik ini sangat berbahaya dan sebaiknya tidak dipakai ).
Jika pointer berfungsi sebagai iterator, operasi pointer arithmatic adalah esensial. Tetapi operasi new dan delete sama sekali tidak di perlukan (kecuali untuk array of pointer). bottom line is: you do not do memory management via iterator.
Sifat konvertibilitas antara integer dan pointer hanya diperlukan jika pointer tersebut dipakai sebagai abstraksi fixed address. Dua fungsi lain tidak memerlukan sifat ini.
— Pointer in OOP
C++ mendukung OOP, akan tetapi pada saat yang sama juga kompatibel dengan C. Hal ini menimbulkan masalah. Akan tetapi sebelum melihat apa masalahnya, ada baiknya kita bahas sedikit tentang Polymorphism.
Polymorphism adalah jawaban untuk pertanyaan: bagaimana cara menulis fungsi atau prosedur yang tidak dibatasi oleh tipe. contohnya adalah fungsi average, fungsi ini menjumlahkan sejumlah elemen dan membaginya dengan banyaknya elemen. hal ini benar untuk banyak tipe termasuk integer, koordinat kartesian, bilangan kompleks, kuartenion, matrix ,dsb walau aturan penjumlahan tipe – tipe tersebut berbeda. Untuk bahasa yang tidak mendukung polymorphism, anda harus menulis fungsi seperti averageInt, averageMatrix, averageComplex, etc.
Dari sifatnya, polymorphism terbagi dua: ad-hoc polymorphism dimana polymorphism hanya bekerja pada tipe yang sudah ada. contoh mekanisme ad-hoc polymorphism adalah function dan operator overloading. Sedangkan true polymorphism atau parametric polymorphism dapat digunakan bahkan untuk tipe yang belum dispesifikasi. Perbedaan lainnya adalah untuk ad-hoc polymorphism biasanya anda harus menulis fungsi untuk semua tipe yang berpartisipasi dalam mekanisme polymorphism, sperti menulis average untuk integer, lalu untuk quartenion, lalu satu lagi untuk complex, dll. Sedangkan untuk parametric polymorphism anda hanya perlu menulis satu fungsi.
Dari binding-time nya, polymorphism dapat dibagi 2: static dan dynamic polymorphism. Static polymorphism menentukan fungsi mana yang akan di panggil (atau mungkin di generate ) pada saat kompilasi. Sedangkan dynamic polymorphism menentukan fungsi yang di panggil pada saat run-time. contoh static polymorphism adalah template, sedangkan contoh dynamic polymorphism adalah virtual function.
static polymorphism dapat dibagi menjadi predicative atau impredicative, tetapi hal ini tidak ada hubungannya dengan diskusi kita.
Untuk dynamic polymorphism, dapat dibagi lagi berdasarkan berapa banyak parameter yang berpengaruh dari penentuan fungsi. Jika hanya parameter pertama yang berpengaruh, hal ini disebut dengan single dispatch. Jika lebih dari satu, hal ini disebut dengan multimethod. multimethod yang dipengaruhi oleh dua parameter mempunyai nama khusus yaitu double dispatch. Harap perhatikan bahwa p->somefunc(a,b) itu secara prinsip sama dengan somefunc(p,a,b) dimana p adalah this parameter (walaupun semua kompiler akan mereject kalau anda mengganti fungsi seperti itu).
Dynamic Polymorphism juga dapat dibagi berdasarkan constraint nya menjadi dua: Subtyping Polymorphism dimana polymorphic type harus merupakan turunan dari satu base class yang merupakan sebuah interface yang menentukan sifat mana yang polymorphic. Yang lainnya adalah DuckTyping yang tidak memerlukan base class yang berfungsi sebagai interface. Dalam DuckTyping sebuah object dapat menerima message apa saja, walau jika object tersebut tak dapat merespond message tersebut objeck yang bersangkutan akan mengeluarkan error seperti DoesNotUnderstand message di SmallTalk. Untuk subtype polymorphism, hal ini tidak mungkin karena sebuah object hanya akan menghandle message yang didefinisikan di base class, dan kompiler akan mereject message lain.
Kembali ke bahasan kita, C++ mendukung Subtyping single dispatch dynamic Polymorphism. Jadi untuk dynamic polymorphism, semua tipe yang ingin digunakan secara polymorphic harus diturunkan dari satu base class. C++ juga mengharuskan semua fungsi yang bisa dipanggil secara polymorphic harus dideklarasikan virtual. Dan pemilihan fungsi yang diperlukan hanya ditentukan oleh satu parameter (this parameter) melalui mekanisme vtable.
So, what’s the big deal ?
Masalahnya adalah untuk semua bahasa yang menggunakan subtype polymorphism, semua object harus bisa di akses melalui base class nya. Jadi kode berikut harus valid:
Parent p = create_child(); // asumsi nya create child menghasilkan
// object child;
Hal ini menimbulkan pertanyaan : Bagaimana caranya membuat kode di atas valid ?
Dalam bahasa pemrograman tradisional, ketika anda mendeklarasikan sebuah variabel, anda menciptakan instance dari sebuah tipe, kecuali jika dideklarasikan khusus. Di C
Sometype somevar;
artinya anda menciptakan sebuah objek somevar bertipe Sometype.
Sometype somevar2 = somevar;
artinya anda mengkopi nilai somevar ke somevar2
somevar2 == somevar; // OK, ini tidak didefinisikan di C untuk User Defined Type,
// but you got the idea
artinya anda membandingkan nilai somevar dengan nilai somevar2. Mari kita sebut ini value semantic, dimana sebuah variabel mengandung isi instance dari tipe tertentu.
Lalu perhatikan kode berikut :
Child child;
Parent parent = child;
See the problem ? Masalahnya adalah anda mencoba mengkopi nilai child ke variabel parent, tapi apa artinya operasi kopi tersebut ? jika berarti mengopi nilai byte by byte, implikasinya adalah ukuran parent dan child harus sama. Akan tetapi hal ini sulit atau tidak mungkin dipenuhi. Bila parent adalah pure interface, parent hampir tidak memiliki data member, tapi child akan memiliki data member untuk mendukung operasi – operasi method-nya.
Bagaimana cara mengatasinya ? salah satu cara yang populer adalah dengan tidak menggunakan value semantic. Di bahasa seperti Java, setiap variable adalah reference ke sebuah instance. Artinya:
1. Ketika anda mendeklarasikan sebuah variabel, anda tidak menginstansiasi sebuah object. object harus di instansiasi secara terpisah, biasanya lewat operator new.
2. Ketika anda mengkopi dua buah variabel, anda tidak mengkopi instance byte by byte, tapi hanya membuat dua reference mengacu pada object yang sama. Jika ingin menghasilkan kopi dari instance, biasanya anda menggunakan method seperti clone.
3. Ketika anda membandingkan dua buah variabel, anda hanya mengetahui apakah dua variabel tersebut merujuk pada objek yang sama atau tidak. jika anda ingin membandingkan nilainya, anda harus menggunakan method seperti equal.
let’s call this reference semantic.
Masalahnya C++ karena berbagai alasan (salah satunya kompatibilitas dengan C) tidak mungkin mengadopsi reference semantic dan harus tetap menggunakan value semantic. Akan tetapi reference semantic sepertinya diperlukan untuk subtype polymorphism. so, what to do ? Ternyata Pointer adalah object yang dapat dipakai untuk mengemulasi reference semantic tanpa harus mengubah bahasa menggunakan reference semantic.
Dengan demikian dynamic polymorphism di C++ harus menggunakan pointer (atau reference, yang sebenarnya adalah pointer dengan sedikit perubahan sifat).
— Bahaya Pointer
1. Bahaya yang mungkin ada dengan pointer sebagai moniker: memory leak, double delete, invalid memory access. Semuanya dapat dihindari dengan ownership analysis yang bagus (pada setiap saat, harus diketahui pihak mana yang bertanggung jawab mendelete sebuah object). Jika hal ini sulit dilakukan, misalnya karena shared ownership, anda dapat menggunakan smart pointer atau garbage collector.
2. Bahaya yang mungkin ada dengan pointer sebagai iterator: array out of bound. Salah satu cara yang efektif menghindari hal ini adalah dengan menggunakan standard algorithm.
3. Bahaya yang mungkin ada dengan pointer sebagai abstraksi fixed memory : Tidak tahu, tetapi ini bukan mainan sembarang programmer.
— Bahasa Pemrograman tanpa pointer ?
1. Semua Bahasa pemrograman Fungsional, terutama yang murni , tidak mengenal pointer atau memerlukan pointer. Akan tetapi bahasa ini menggunakan model komputasi yang jauh berbeda, bukan abstract C machine.
2. Beberapa bahasa pemrograman dengan reference semantik dapat mengklaim mereka tidak memiliki pointer, akan tetapi setiap variabel sebenarnya adalah pointer. Secara fisik mungkin reference tidak memiliki struktur seperti pointer (biasanya merupakan data struktur yang lebih kompleks sehingga lebih friendly terhadap garbage collector) tapi reference tersebut memiliki fungsi yang mirip dengan pointer di C atau C++. Ada yang bilang bahwa reference dalam bahasa – bahasa ini menyebabkan optimasi lebih mudah karena tidak menyebabkan aliasing, tetapi optimasi tersebut juga mungkin dilakukan di C dan C++ ( dengan restrict pointer, sayangnya belum merupakan bagian dari standard C++).
smile
frown 
tongue 
grin 
gasp 
wink 
glasses 
sunglasses
grumpy 
unsure 
cry 
devil 
angel 
kiss 
heart 
kiki 
squint 
confused 
upset 
pacman 
curly lips
robot 
Chris Putnam
Shark
Penguin
