程序员C语言快速上手——高级篇(十)
文章目录
- 高级篇
- 内存管理
- 内存四区
- 内存分配
- 动态内存管理
- 指针高级
- 二维数组
- 二级指针
- 函数指针
- 函数指针的声明
- 函数指针的赋值与使用
- 函数指针的传递
- void*指针
- 欢迎关注我的公众号:编程之路从0到1
高级篇
内存管理
C语言程序加载到内存中,通常可人为划分为栈(stack)、堆(heap)、代码段(text)、数据段(data)、bss 段、常量存储区等区域部分,在这个基础上,人们习惯在逻辑上将C语言程序的内存模型归纳为四大区域。请注意,这四大区域只是逻辑上的划分,实际上对于内存而言,它只是一片连续的存储单元,并不存在什么物理上的区域划分。我们了解C语言内存四区,可以加深对C语言的理解,特别是C语言的内存管理的理解。
内存四区
栈(stack)
用于保存函数中的形参、返回地址、局部变量以及函数运行状态等数据。栈区的数据由编译器自动分配、自动释放,无需程序员去管理和操心。 当我们调用一个函数时,被称为函数入栈,指的就是为这个函数在栈区中分配内存。堆(heap)
堆内存由程序员手动分配、手动释放,如果不释放,只有当程序运行结束后,操作系统才会去回收这片内存。C语言所谓的动态内存管理,指的就是堆内存管理,这也是C语言内存管理的核心内容。静态全局区
又被人称为数据区、静态区。它又可细分为静态区和常量区。主要用来存放全局变量、静态变量以及常量。该区域内存,只有在程序运行结束后才会被操作系统回收。被形象的比喻为与整个程序同生共死,也就是说只要程序没有退出,这部分内存数据就一直存在。代码区
用于存放程序编译链接后生成的二进制机器码指令。由操作系统管理,程序员无需关心。
内存分配
C语言内存分配的三种形式
静态/全局内存
静态声明的变量和全局变量都使用这部分内存。在程序开始运行时分配,终止时消失。区别:所有函数都能访问全局变量,静态变量作用域则只局限于定义它的函数内部自动内存
在函数内声明,函数调用时创建(分配在栈中),作用域局限于该函数内部,函数执行完则释放。动态内存
内存分配在堆上,用完需手动释放,使用指针来引用分配的内存,作用域局限于引用内存的指针
为什么需要在堆上面分配动态内存?
在前面的章节中,我们一直使用自动内存,也就是栈内存,这并不影响C程序的编写,那么我们为什么还要去使用动态内存,而且还要很麻烦的去手动管理动态内存呢?
栈区的内存大小通常都比较小,具体大小视编译器不同而有所区别,通常可能会在2M大小左右。当我们在处理大文件、图片、视频等数据时,2M显然是不够用的,我们可能需要更大块的内存空间。通常的,堆内存空间大小是没有限制的,只要你电脑的内存条足够大,你就可以向操作系统申请足够大的堆内存空间使用。
栈内存的使用有一定特殊性。通常当函数调用结束后就会退栈,那么函数中的局部变量也就不复存在了。当我们需要一个变量或数组有更长的生命周期时,堆内存是更好的选择。
全局变量虽然有与程序相同的生命周期,但无法动态的确定大小。例如将数组声明为全局数组变量,那么就必须在声明时静态指定数组的长度。假如我们用一个数组来存放会员注册信息,那么我们根本不能在编译时确定数组的具体长度,显然的,我们需要一个可以动态增长的内存区域。不断有新会员注册,那么我们的数组长度也需要增长。
动态内存管理
在C语言内存分配的三种形式中,真正能由程序员来控制管理的只有在堆上面分配的动态内存,这也是我们需要关注的重点内容。
先看一个示例:
// 定义一个函数,返回局部变量的地址
int *fn(){int i = 10;return &i;
}int main(){// 对fn函数返回的指针进行解引用printf("%d",*fn());return 0;
}
以上示例会报错退出,显然的,我们是不能返回一个局部变量的地址的,局部变量在函数调用结束会就会释放,因此在局部变量作用域之外去操作它的地址是非法操作。
使用动态内存
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int *fn(){// 使用malloc函数,分配动态内存空间,注意包含stdlib.hint *p = (int*)malloc(sizeof(int));*p = 16;return p;
}int main(){printf("%d",*fn());return 0;
}
运行正常,打印结果:
16
申请动态内存之后,如果不手动释放,它就会一直存在,直到程序退出。
可以看到malloc
的函数原型 void *malloc(size_t _Size);
它返回一个void *
类型指针,这是一个无类型或者说是通用类型指针,它可以指向任意类型,因此我们在使用它的返回值时,首先做了强制类型转换。该函数只有一个无符号整数参数,用来传入我们想要申请的内存大小,单位是字节。上例中我们传入的是一个int
类型的大小,通常是4字节。需要特别注意,当使用malloc
分配动态内存时,如果失败,它会返回NULL
指针,因此使用时需判断。
在使用动态内存时,一定要在用完后记得手动释放内存,否则易造成内存泄露
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>char *String(int len){char *s = (char*)malloc(len);return s;
}int main(){char *str = String(100);if (str == NULL){// 内存分配失败时,返回NULL指针,使用时需先判断分配是否成功printf("Not enough memory space!\n");}strncpy(str,"Hi,use dynamic memory space",100);printf("%s\n",str);// 手动释放内存free(str);return 0;
}
与动态内存管理相关的主要有四个函数
函数 | 功能 |
---|---|
malloc
|
从堆上分配一块指定大小的内存,并返回分配的空间的起始地址,这里是一个void类型指针,如果系统内存不足以分配,则返回NULL。该函数不会清空所分配的内存空间中的内容,因此可能分配的空间会包含一些随机数据 |
calloc
|
该函数的功能基本与malloc 相同,主要的区别是,它分配堆内存时会进行清空,因此内存空间不会包含一些随机数据,当然,相应的,它的性能也略低于malloc ,毕竟它多做了一个清理内存的工作。
|
realloc
|
该函数用于重新分配内存大小,其使用情况,较以上两个函数要复杂。 该函数也不会对申请的内存空间进行任何初始化。 |
free
|
该函数用于手动释放以上三个函数所申请的堆内存空间。它的参数是一个指向所分配的动态内存的指针。要注意,该函数只能用来释放以上三个函数申请的堆空间,它们需成对使用,不能用来释放任意内存空间。 |
calloc
原型
void *calloc(size_t _NumOfElements,size_t _SizeOfElements);
第一个参数用来指定元素的个数,第二个参数指定一个元素所占内存大小。malloc
函数的参数正好相当于它的两参数的乘积。
int *array = (int*)calloc(10,sizeof(int));
realloc
原型
void *realloc(void *_Memory,size_t _NewSize);
它的第一个参数为指向原内存块的指针,第二个参数为重新请求的内存大小。
当我们使用malloc
动态分配了一块内存空间,随着数据的增加,内存不够用时,就可以使用realloc
调整原来分配的内存大小。
int main(){// 分配10个元素大小的int数组int *arr = (int*)malloc(10*sizeof(int));if (arr == NULL){printf("malloc:Not enough memory space!\n");return -1;}// 将原数组扩展到20个元素大小int *newArr = (int*)realloc(arr, 20*sizeof(int));if(newArr == NULL){printf("realloc:Not enough memory space!\n");}else{arr = newArr;}// do sometings// 释放内存free(arr);return 0;
}
使用realloc
函数需要注意,当原内存空间之后还有足够的内存可分配时,那么就会紧随原内存空间之后扩展空间,这样一来,realloc
返回的void指针与指向原内存空间的指针相同;如果原内存空间之后没有足够的内存可扩展了,那么就在堆内存中其他的拥有足够空间的地方重新分配空间,并将原内存空间中的数据复制到新空间,只是这样一来,其他地方保存的原内存空间的地址就必须修改为realloc
返回的新地址,且原内存空间会被释放,旧地址不可用。可以看到,该函数之所以如此复杂,其目的就是为了保证申请的空间都是一片连续的内存空间,而不是碎片化的内存。
关于realloc
的使用总结
第一个参数 | 第二个参数 | 描述 |
---|---|---|
NULL
|
欲申请空间大小 |
功能等同malloc ,申请新的堆空间
|
非NULL
|
0
|
等同于free ,释放原内存空间
|
非NULL
|
比原内存空间小 | 在原内存空间基础上回收部分内存,相当于缩小空间 |
非 NULL
|
比原内存空间大 | 在原内存空间之后扩展,或者在其他位置重新分配更大空间 |
realloc
函数功能强大,可以用来申请新的堆空间,释放堆空间,调整原来的堆空间。它一个就能替代其他的三个函数realloc
函数如果返回NULL
,则表明内存不足,申请新的堆空间或者将原空间调大失败。失败时,它不会对原来的堆空间造成影响
关于free
的使用总结
当使用free
函数释放内存后,指向原堆空间的指针并不会被清理或重置,这意味着指向原空间的指针中仍保存着一个不合法的地址,如果不小心再次使用了这个指针,就会造成无法预知的问题,因此在使用free
释放内存后,还应当将原指针重置为NULL
arr = (int*)realloc(arr, 20*sizeof(int));// 释放内存free(arr);// arr指针保存的地址已经不合法,需重置arr = NULL;
指针高级
二维数组
如果数组中的元素也是数组,那么这样的数组就是二维数组,在逻辑上,仿佛有两个维度,实际上在内存中仍然是一片线性的连续的内存空间。
#include <stdio.h>int main(){// 声明并初始化一个二维数组// 第一个[5]表示外层数组的元素个数// 第二个[3]表示作为外层数组元素的内层数组的元素个数int table[5][3]={{11,12,13},{21,22,23},{31,32,33},{41,42,43},{51,52,53}};printf("%x\n",table);printf("%x\n",&table[0][0]);printf("%x\n",&table[0][1]);printf("%x\n",&table[0][2]);printf("%x\n",&table[1][0]);return 0;
}
调试
再来看元素内存地址的打印结果
22fe10
22fe10
22fe14
22fe18
22fe1c
可以发现二维数组很像一个二维表格,有行有列,但是从元素的内存地址可以看出,在内存中仍然是连续的一片。
关于二维数组的遍历
// 二维数组遍历for (int i = 0; i < 5; i++){for (int j = 0; j < 3; j++){printf("%d\n",table[i][j]);}}
二级指针
所谓二级指针,就是一个指向指针的指针。
我们知道指针变量是用来保存一个普通变量的地址的,那么如果对一个指针变量取地址,并用另一个变量保存指针变量的地址,这种情况是否存在呢?
int main(){int num = 16;// 声明一个一级指针int *p = #// 声明一个二级指针,一个指向指针的指针int **pp = &p;printf("p=%x\n",p);printf("pp=%x\n",pp);printf("&pp=%x\n",&pp);return 0;
}
打印结果:
p=22fe4c
pp=22fe40
&pp=22fe38
可以看到,凡是变量都有地址,即使是指针变量也是有地址的,这种使用两个*
来声明的指向指针的变量,就是二级指针。一级指针存的是普通变量的内存地址,二级指针则是存的一个一级指针的内存地址。
在遇到二级指针时,要获取原始变量的值,就需要使用两个*
进行解引用,如上例中的**p
可获取num
的值,如使用一个*
解引用,获得的只是指针p
的地址而已。
除了二级指针,自然还可以有三级指针、四级指针等等,三级指针极为少用,四级指针及之后面就没有意义了。除了二级指针有较强的实用意义,其他的基本可以忽略。
引出了二级指针,有人一定会问,二级指针到底有什么用处,在哪里使用?下面看一个示例
int main(){// 使用二维数组保存英文歌单char songs[10][50]={"My love","Just one last dance","As long as you love me","Because of you","God is a girl","Hero","Yesterday once more","Lonely","All rise","One love"};for (size_t i = 0; i < 10; i++){printf("%s\n",songs[i]);}return 0;
}
在C语言中,字符串是用字符数组来表示的,那么字符串数组也必然是一个二维数组,如上。在字符串的章节中讲过,C语言字符串也可以使用char*
来表示,那么字符串数组也就可以使用二级指针char **
来表示了。
void printStrings(char **s,int len){char **start = s;// 使用二级指针来遍历字符串数组for (;s < start + len;s++){printf("%s\n",*s);}
}int main(){// 声明一个char*类型的数组,它的元素是一个char*指针char* songs[10]={"My love","Just one last dance","As long as you love me","Because of you","God is a girl","Hero","Yesterday once more","Lonely","All rise","One love"};// 一个指针数组的数组名,实际上就是一个二级指针char **p = songs;printStrings(p,10);return 0;
}
可以用一句话来解释一级指针和二级指针的使用区别:
一级指针是用来修改所指向的内存空间中的值,二级指针是用来修改一级指针指向的内存空间。
二级指针的实际运用
#include <stdio.h>
#include <string.h>// 打印字符串数组
void printStr(char **s,int len){char **start = s;for (;s < start + len;s++){printf("%s\n",*s);}
}void handleStr(char **buf,int size){char **tmp = buf;while (buf < tmp + size){//遍历字符串数组,如果包含"love",则修改为 520if(strstr(*buf,"love") != NULL){*buf = "520";};buf++;}
}int main(){// 声明一个字符串数组char* songs[5]={"My love","As long as you love me","Because of you","God is a girl","Hero",};char **p = songs;handleStr(p,5);printStr(p,5);return 0;
}
打印结果
520
520
Because of you
God is a girl
Hero
函数指针
在上面的内存四区中提到了代码区,而函数就是一系列指令的集合,因此它也是存放在代码区。既然存放在内存中,那么就会有地址。我们知道数组变量实际上也是一个指针,指向数组的起始地址,结构体指针也是指向第一个成员变量的起始地址,而函数指针亦是指向函数的起始地址。
所谓函数指针,就是一个保存了函数的起始地址的指针变量。
函数指针的声明
声明格式:
【返回值类型】 (*变量名) (【参数类型】)
实例
// 分别声明四个函数指针变量 f1、f2、f3、f4
int (*f1)(double);
void (*f2)(char*);
double* (*f3)(int,int);
int (*f4)();
函数指针的赋值与使用
当一个函数的原型与所声明的函数指针类型匹配,那么就可以将一个函数名赋值给函数指针变量。
int count(double val){printf("count run\n");return 0;
}void printStr(char *str){printf("printStr run\n");
}double *add(int a,int b){printf("add run\n");return NULL;
}int get(){printf("get run\n");return 0;
}int main(){// 声明函数指针并初始化为NULLint (*f1)(double) = NULL;void (*f2)(char*) = NULL;double* (*f3)(int,int) = NULL;int (*f4)() = NULL;// 为函数指针赋值f1 = &count;f2 = &printStr;f3 = &add;f4 = &get;// 使用函数指针调用函数f1(0.5);f2("f2");f3(1, 3);f4();return 0;
}
函数名同数组名一样,它本身就是一个指针,因此可以省略取地址的操作,直接将函数名赋值给指针
f1 = count;f2 = printStr;f3 = add;f4 = get;
函数指针的传递
// 加法函数
int add(int a,int b){return a +b;
}
// 减法函数
int sub(int a, int b){return a-b;
}// 计算器函数。将函数指针做形式参数
void calculate(int a,int b, int(*proc)(int,int)){printf("result=%d\n",proc(a,b));
}int main(){// 算加法,传入加法函数calculate(10,5,add);// 算减法,传入减法函数calculate(10,5,sub);return 0;
}
可以看到,将函数指针作为参数传递,可以使得C语言编程变得更加灵活强大。而在Python、JavaScript等编程语言中,当前流行的函数式编程范式,即将一个函数作为参数传入到另一函数中执行,实际上有些古老的C语言中早就能实现了。
除此之外,C语言还有其他的一些奇技淫巧,虽然看起来实现得不够优雅,但也足以证明C语言无所不能。
以上在函数的形参中直接定义函数指针看起来不够简洁优雅,每次都得写一大串,实际上还有更简洁的方式,这就需要借助typedef
// 定义一个函数指针类型,无需起新的别名
typedef int(*proc)(int,int);// 使用函数指针类型 proc 声明新的函数指针变量 p
void calculate(int a,int b, proc p){printf("result=%d\n",p(a,b));
}
函数指针实用小结
- 利用函数指针可以实现函数式编程
- 将函数指针存入数组中,可以像Java、Python这样,实现函数回调通知机制
- 将结构体与函数指针结合,可以模拟面向对象编程中的类。实际上Go语言就是这样做的,Go语言没用类机制,就是使用结构体模拟面向对象编程。
void*指针
前面几次提到通用类型指针void*
,它可以指向任意类型,但对于void*
指针到底是什么没有做深入的探讨。事实上,只有理解了void*
指针,才能真正理解C语言指针的本质,才能使用void*
指针实现一些奇技淫巧。
首先思考一个问题,指针仅仅是用来保存一个内存地址的,所有的内存地址都只是一个号码,那么指针为什么还需要类型呢?理论上所有的指针都应该是同一种类型才对呀?
先写个代码探索一番
int main(){short num = 18;char *pChar = (char*)#int *pInt = (int*)#printf("pChar=%x pInt=%x\n",pChar,pInt);printf("*pChar=%d *pInt=%d\n",*pChar,*pInt);return 0;
}
分别强制使用char*
指针和int*
指针来保存short num
的地址,打印结果如下:
pChar=22fe3e ---- pInt=22fe3e
*pChar=18 ---- *pInt=-29491182
可以看到,保存地址是OK的,但是解引用获取值就会存在问题。由此我们基本可以推断一个事实,指针用来保存变量的内存地址与变量的类型无关,任何类型指针都可以保存任何一个地址;指针之所以需要类型,只与该指针的解引用有关。
short
是2个字节,char
是1个字节,int
是4个字节,而指针保存的是第一个字节的地址,当指针声明为short
时,编译器就知道从当前这个地址往后取几个字节作为一个整体。如果指针没有具体类型,那么编译器根本无法判断应从当前这个字节往后取几个字节。如上例,*pInt
解引用后结果错误,这就是因为原类型是short
2字节,而使用int*
指针去解引用会超出short
本身的两字节内存,将紧随其后的两字节内存也强制读取了,访问了不合法的内存空间,这实际上是内存越界造成的错误值。
当我们不确定指针所指向的具体数据类型时,就可以使用void*
类型来声明,当我们后续确定了具体类型之后,就可以使用强制类型转换来将void*
类型转换为我们需要的具体类型。
接触过Java等具有泛型的面向对象编程语言的人,可能马上就会联想到泛型,是的,C语言没有泛型,但是利用void*
指针的特点,我们可以使用一些技巧来模拟泛型编程。
再看一个示例
// 交换两个变量的值
void swap(int *a,int *b){int tmp =*a;*a = *b;*b = tmp;
}int main(){int n = 6, l=8;swap(&n, &l);printf("n=%d l=%d\n",n,l);return 0;
}
以上swap
函数是交换两个int
类型变量的值,如果需要交换char
、short
或double
类型呢?岂不是每一种类型都需要写一个函数吗?像Java这样的编程语言存在泛型,我们可以定义泛型,而不需要在函数声明时指定具体类型,当调用的时候传入的是什么类型,函数就计算什么类型,我们看一下C语言如何实现
// 交换两个变量的值
void swap(void* a, void *b, int size){// 申请一块指定大小的内存空间做临时中转void *p = (void*)malloc(size);// 内存拷贝函数,拷贝指定的字节数memcpy(p, a, size);memcpy(a, b, size);memcpy(b, p, size);// 释放申请的内存空间free(p);
}int main(){int n = 6, l=8;// 传入int型指针swap(&n, &l,sizeof(int));printf("n=%d l=%d\n",n,l);// 传入short型指针short x=10,y=80;swap(&x, &y,sizeof(short));printf("x=%d y=%d\n",x,y);return 0;
}
打印结果:
n=8 l=6
x=80 y=10
欢迎关注我的公众号:编程之路从0到1
程序员C语言快速上手——高级篇(十)相关推荐
- 程序员C语言快速上手——进阶篇(八)
文章目录 进阶篇 程序结构与作用域 局部变量 全局变量 static关键字 extern关键字 模块化开发的补充 头文件的嵌套包含 头文件的保护 欢迎关注我的公众号:编程之路从0到1 进阶篇 程序结构 ...
- 黑马程序员C语言基础(第三天)
黑马程序员C语言基础(一)第三天 https://www.bilibili.com/video/BV15W411K7k6?p=40 文章目录 低级语言与高级语言 c语言优缺点 c语言应用领域 通过gc ...
- 程序员转正述职报告_程序员转正的述职报告【五篇】
[导语]述职报告是指各级各类机关工作人员,一般为业务部门陈述以主要业绩业务为主,少有职能和管理部门陈述.---以下是无忧考网为您提供的文章,欢迎阅读. [篇一] 来到一个新的工作环境,最能发现自身的不 ...
- 菜鸟程序员如何才能快速提高自己的技术
导语:很久没有这么悠闲的在家撸一篇文章了,最近也在思考怎样才能写一些对程序员帮助非常大的文章,怎样去运营好我们这个移动开发者聚集地的公众号:非著名程序员.当初弄这个公众号的本意就是为广大的开发者提供各 ...
- Golang语言快速上手到综合实战(Go语言、Beego框架、高并发聊天室、豆瓣电影爬虫) 下载
下载Golang语言快速上手到综合实战(Go语言.Beego框架.高并发聊天室.豆瓣电影爬虫) 下载地址:请加QQ:397245854 Go是Google开发的一种编译型,可并行化,并具有垃圾回收功能 ...
- 好程序员web前端分享HTML基础篇
好程序员web前端分享HTML基础篇,最近遇到很多新手,都会问,如果要学web前端开发,需要学什么?难不难学啊?多久能入门之类的问题?那么今天好程序员就先来给大家分享一下web前端学习路线:HTML基 ...
- 好程序员Java教程分享之jvm篇
好程序员java教程分享之jvm篇,在前面的文章中,介绍了JVM内存模型分为:堆区.虚拟机栈.方法区.本地方法区和程序计数器,其中堆区是JVM中最大的一块内存区域,在Java中的所有对象实例都保存在此 ...
- pyqt5从子目录加载qrc文件_PyQt5快速上手基础篇10-QSettings用法
前言 本节我们学习使用PyQt5的QSettings的用法,使用QSettings可以记住用户操作UI界面设置的参数,下次打开软件的时候,会直接加载用户上一次设置的参数. 一.基础知识 1.QSett ...
- 程序员的语言“艳遇史”(一)——班长pascal
程序员的语言"艳遇史"(一) (***以下小说情节纯属虚构,供朋友们在紧张编程后轻松一下,如有雷同纯属巧合,切勿对号入座***) 地狱里,一个曾经的程序员经不过魔鬼们的严刑拷打,终 ...
最新文章
- 20180719 (内置函数68个)
- 滴滴自研分布式 NoSQL 数据库 Fusion 的演进之路
- react 子传参父_React 子组件给父组件传值、整个组件、方法
- ITK:读写矢量图像
- python的数据类型_Python支持哪些数据类型
- 《蛋白质女孩》的一句台词
- java 定义xml_java中web.xml定义详解
- 潜龙号开启水下机器人_国内首个智能绞吸机器人开展水下取土作业
- CUDA C编程权威指南 第三章 CUDA执行模型
- activiti流程定义的部署
- LED显示驱动(二):显示驱动FPGA验证流程与注意细节
- 【运动学】基于matlab速度+加速度数值计算(匀速圆周运动) 【含Matlab源码 975期】
- 九宫格c语言实验报告,9X9,九宫格测试,C编程。
- box-sizing: border-box的作用
- Xftp的下载、安装、使用
- HDU 5835 Danganronpa(弹丸论破)
- 云蝠智能与华为云:是伙伴,更是一起逐梦的同路人
- 高德地图精确定位和获取地理位置
- 张北川:命名数据网络(NDN)
- 华南理工大学数学专业考研试题参考解答
热门文章
- 【AGC】崩溃服务之常见问题
- srs流媒体服务器搭建以及简单使用
- GAMEE平台即将推出移动区块链电子竞技应用——Arc8 Play to earn
- 果粉必看:10个不常用的炫酷iPhone功能
- java编译hello_使用javac命令,可以将Hello.java文件编译成Hello.class文件()
- 性价比高的蓝牙耳机推荐?2021年强烈推荐的无线蓝牙耳机
- Bean 作用域和生命周期
- mouseover与mouseenter,mouseout和mouseleave的区别
- Java 类型系统从入门到放弃
- Arcgis加载在线地图(内涵各种在线地图)