江哥带你玩转C语言 - 16-内存管理和链表

Posted 2021-08-08 极客江南

内存管理

进程空间

• 程序，是经源码编译后的可执行文件，可执行文件可以多次被执行，比如我们可以多次打开 office。
• 而进程，是程序加载到内存后开始执行，至执行结束，这样一段时间概念，多次打开的wps,每打开一次都是一个进程，当我们每关闭一个 office，则表示该进程结束。
• 程序是静态概念，而进程动态/时间概念。
  ###进程空间图示
  有了进程和程序的概念以后，我们再来看一下，程序被加载到内存以后内存空间布局是什么样的
  

---

栈内存(Stack)

• 栈中存放任意类型的变量，但必须是 auto 类型修饰的，即自动类型的局部变量， 随用随开，用完即消。
• 内存的分配和销毁系统自动完成，不需要人工干预
• 栈的最大尺寸固定，超出则引起栈溢出
  • 局部变量过多，过大 或 递归层数太多等就会导致栈溢出

int ages[10240*10240]; // 程序会崩溃, 栈溢出

#include <stdio.h>

int main()
{
    // 存储在栈中, 内存地址从大到小
    int a = 10;
    int b = 20;
    printf("&a = %p\\n", &a); // &a = 0060FEAC
    printf("&b = %p\\n", &b); // &b = 0060FEA8

    return 0;
}

---

堆内存(Heap)

• 堆内存可以存放任意类型的数据，但需要自己申请与释放
• 堆大小，想像中的无穷大，但实际使用中，受限于实际内存的大小和内存是否连续性

int *p = (int *)malloc(10240 * 1024); // 不一定会崩溃

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    // 存储在栈中, 内存地址从小到大
    int *p1 = malloc(4);
    *p1 = 10;
    int *p2 = malloc(4);
    *p2 = 20;
   
    printf("p1 = %p\\n", p1); //  p1 = 00762F48
    printf("p2 = %p\\n", p2); // p2 = 00762F58

    return 0;
}

---

malloc函数

函数声明	void * malloc(size_t _Size);
所在文件	stdlib.h
函数功能	申请堆内存空间并返回,所申请的空间并未初始化。
常见的初始化方法是	memset 字节初始化。
参数及返回解析
参数	size_t _size 表示要申请的字符数
返回值	void * 成功返回非空指针指向申请的空间 ，失败返回 NULL

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    /*
     * malloc
     * 第一个参数: 需要申请多少个字节空间
     * 返回值类型: void *
     */ 
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
    printf("p = %i\\n", *p); // 保存垃圾数据
    /*
     * 第一个参数: 需要初始化的内存地址
     * 第二个初始: 需要初始化的值
     * 第三个参数: 需要初始化对少个字节
     */ 
    memset(p, 0, sizeof(int)); // 对申请的内存空间进行初始化
    printf("p = %i\\n", *p); // 初始化为0
    return 0;
}

free函数

• 注意: 通过malloc申请的存储空间一定要释放, 所以malloc和free函数总是成对出现

函数声明	void free(void *p);
所在文件	stdlib.h
函数功能	释放申请的堆内存
参数及返回解析
参数	void* p 指向手动申请的空间
返回值	void 无返回

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 1.申请4个字节存储空间
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
    // 2.初始化4个字节存储空间为0
    memset(p, 0, sizeof(int));
    // 3.释放申请的存储空间
    free(p);
    return 0;
}

calloc函数

函数声明	void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
所在文件	stdlib.h
函数功能	申请堆内存空间并返回，所申请的空间，自动清零
参数及返回解析
参数	size_t nmemb 所需内存单元数量
参数	size_t size 内存单元字节数量
返回值	void * 成功返回非空指针指向申请的空间 ，失败返回 NULL

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    /*
    // 1.申请3块4个字节存储空间
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 3);
    // 2.使用申请好的3块存储空间
    p[0] = 1;
    p[1] = 3;
    p[2] = 5;
    printf("p[0] = %i\\n", p[0]);
    printf("p[1] = %i\\n", p[1]);
    printf("p[2] = %i\\n", p[2]);
    // 3.释放空间
    free(p);
    */

    // 1.申请3块4个字节存储空间
    int *p = calloc(3, sizeof(int));
    // 2.使用申请好的3块存储空间
    p[0] = 1;
    p[1] = 3;
    p[2] = 5;
    printf("p[0] = %i\\n", p[0]);
    printf("p[1] = %i\\n", p[1]);
    printf("p[2] = %i\\n", p[2]);
    // 3.释放空间
    free(p);

    return 0;
}

realloc函数

函数声明	void *realloc(void *ptr, size_t size);
所在文件	stdlib.h
函数功能	扩容(缩小)原有内存的大小。通常用于扩容，缩小会会导致内存缩去的部分数据丢失。
参数及返回解析
参数	void * ptr 表示待扩容(缩小)的指针， ptr 为之前用 malloc 或者 calloc 分配的内存地址。
参数	size_t size 表示扩容(缩小)后内存的大小。
返回值	void* 成功返回非空指针指向申请的空间 ，失败返回 NULL。

• 注意点:
  • 若参数ptr==NULL，则该函数等同于 malloc
  • 返回的指针，可能与 ptr 的值相同，也有可能不同。若相同，则说明在原空间后面申请，否则，则可能后续空间不足，重新申请的新的连续空间，原数据拷贝到新空间， 原有空间自动释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 1.申请4个字节存储空间
    int *p = NULL;
    p = realloc(p, sizeof(int)); // 此时等同于malloc
    // 2.使用申请好的空间
    *p = 666;
    printf("*p = %i\\n",  *p);
    // 3.释放空间
    free(p);

    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 1.申请4个字节存储空间
    int *p = malloc(sizeof(int));
    printf("p = %p\\n", p);
    // 如果能在传入存储空间地址后面扩容, 返回传入存储空间地址
    // 如果不能在传入存储空间地址后面扩容, 返回一个新的存储空间地址
    p = realloc(p, sizeof(int) * 2);
    printf("p = %p\\n", p);
    // 2.使用申请好的空间
    *p = 666;
    printf("*p = %i\\n",  *p);
    // 3.释放空间
    free(p);

    return 0;
}

---

链表

• 链表实现了，内存零碎数据的有效组织。比如，当我们用 malloc 来进行内存申请的时候，当内存足够，但是由于碎片太多，没有连续内存时，只能以申请失败而告终，而用链表这种数据结构来组织数据，就可以解决上类问题。
  
  ##静态链表
  

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 1.定义链表节点
typedef struct node{
    int data;
    struct node *next;
}Node;
int main()
{

    // 2.创建链表节点
    Node a;
    Node b;
    Node c;

    // 3.初始化节点数据
    a.data = 1;
    b.data = 3;
    c.data = 5;

    // 4.链接节点
    a.next = &b;
    b.next = &c;
    c.next = NULL;

    // 5.创建链表头
    Node *head = &a;

    // 6.使用链表
    while(head != NULL){
        int currentData = head->data;
        printf("currentData = %i\\n", currentData);
        head = head->next;
    }
    return 0;
}

动态链表

• 静态链表的意义不是很大，主要原因，数据存储在栈上，栈的存储空间有限，不能动态分配。所以链表要实现存储的自由，要动态的申请堆里的空间。

• 有一个点要说清楚，我们的实现的链表是带头节点。至于，为什么带头节点，需等大家对链表有个整体的的认知以后，再来体会，会更有意义。

• 空链表

  • 头指针带了一个空链表节点, 空链表节点中的next指向NULL
    

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 1.定义链表节点
typedef struct node{
    int data;
    struct node *next;
}Node;
int main()
{
    Node *head = createList();
    return 0;
}
// 创建空链表
Node *createList(){
    // 1.创建一个节点
    Node *node = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if(node == NULL){
        exit(-1);
    }
    // 2.设置下一个节点为NULL
    node->next = NULL;
    // 3.返回创建好的节点
    return node;
}

• 非空链表
  • 头指针带了一个非空节点, 最后一个节点中的next指向NULL
    

动态链表头插法

• 1.让新节点的下一个节点等于头结点的下一个节点
• 2.让头节点的下一个节点等于新节点

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 1.定义链表节点
typedef struct node{
    int data;
    struct node *next;
}Node;
Node *createList();
void printNodeList(Node *node);
int main()
{
    Node *head = createList();
    printNodeList(head);
    return 0;
}
/**
 * @brief createList 创建链表
 * @return  创建好的链表
 */
Node *createList(){
    // 1.创建头节点
    Node *head = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if(head == NULL){
        return NULL;
    }
    head->next = NULL;

    // 2.接收用户输入数据
    int num = -1;
    printf("请输入节点数据\\n");
    scanf("%i", &num);

    // 3.通过循环创建其它节点
    while(num != -1){
        // 3.1创建一个新的节点
        Node *cur = (Node *)malloc(sizeof(Node));
        cur->data = num;

        // 3.2让新节点的下一个节点指向头节点的下一个节点
        cur->next = head->next;
        // 3.3让头节点的下一个节点指向新节点
        head->next = cur;

        // 3.4再次接收用户输入数据
        scanf("%i", &num);
    }

    // 3.返回创建好的节点
    return head;
}
/**
 * @brief printNodeList 遍历链表
 * @param node 链表指针头
 */
void printNodeList(Node *node){
    Node *head = node->next;
    while(head != NULL){
        int currentData = head->data;
        printf("currentData = %i\\n", currentData);
        head = head->next;
    }
}

动态链表尾插法

• 1.定义变量记录新节点的上一个节点
• 2.将新节点添加到上一个节点后面
• 3.让新节点成为下一个节点的上一个节点

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 1.定义链表节点
typedef struct node{
    int data;
    struct node *next;
}Node;
Node *createList();
void printNodeList(Node *node);
int main()
{
    Node *head = createList();
    printNodeList(head);
    return 0;
}
/**
 * @brief createList 创建链表
 * @return  创建好的链表
 */
Node *createList(){
    // 1.创建头节点
    Node *head = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if(head == NULL){
        return NULL;
    }
    head->next = NULL;

    // 2.接收用户输入数据
    int num = -1;
    printf("请输入节点数据\\n");
    scanf("%i", &num);

    // 3.通过循环创建其它节点
    // 定义变量记录上一个节点
    Node *pre = head;
    while(num != -1){
        // 3.1创建一个新的节点
        Node *cur = (Node *)malloc(sizeof(Node));
        cur->data = num;

        // 3.2让新节点链接到上一个节点后面
        pre->next = cur;
        // 3.3当前节点下一个节点等于NULL
        cur->next = NULL;
        // 3.4让当前节点编程下一个节点的上一个节点
        pre = cur;

        // 3.5再次接收用户输入数据
        scanf("%i", &num);
    }

    // 3.返回创建好的节点
    return head;
}
/**
 * @brief printNodeList 遍历链表
 * @param node 链表指针头
 */
void printNodeList(Node *node){
    Node *head = node->next;
    while(head != NULL){
        int currentData = head->data;
        printf("currentData = %i\\n", currentData);
        head = head->next;
    }
}

动态链优化

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 1.定义链表节点
typedef struct node{
    int data;
    struct node *next;
}Node;
Node *createList();
void printNodeList(Node *node);
void insertNode1(Node *head, int data);
void insertNode2(Node *head, int data);
int main()
{
    // 1.创建一个空链表
    Node *head = createList();
    // 2.往空链表中插入数据
    insertNode1(head, 1);
    insertNode1(head, 3);
    insertNode1(head, 5);
    printNodeList(head);
    return 0;
}
/**
 * @brief createList 创建空链表
 * @return  创建好的空链表
 */
Node *createList(){
    // 1.创建头节点
    Node *head = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if(head == NULL){
        return NULL;
    }
    head->next = NULL;
    // 3.返回创建好的节点
    return head;
}
/**
 * @brief insertNode1 尾插法插入节点
 * @param head 需要插入的头指针
 * @param data 需要插入的数据
 * @return  插入之后的链表
 */
void insertNode1(Node *head, int data){
    // 1.定义变量记录最后一个节点
    Node *pre = head;
    while(pre != NULL && pre->next != NULL){
        pre = pre->next;
    }
    // 2.创建一个新的节点
    Node *cur = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    cur->data = data;

    // 3.让新节点链接到上一个节点后面
    pre->next = cur;
    // 4.当前节点下一个节点等于NULL
    cur->next = NULL;
    // 5.让当前节点编程下一个节点的上一个节点
    pre = cur;
}
/**
 * @brief insertNode1 头插法插入节点
 * @param head 需要插入的头指针
 * @param data 需要插入的数据
 * @return  插入之后的链表
 */
void insertNode2(Node *head, int data){
    // 1.创建一个新的节点
    Node *cur = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    cur->data = data;

    // 2.让新节点的下一个节点指向头节点的下一个节点
    cur->next = head->next;
    // 3.让头节点的下一个节点指向新节点
    head->next = cur;
}
/**
 * @brief printNodeList 遍历链表
 * @param node 链表指针头
 */
void printNodeList(Node *node){
    Node *head = node->next;
    while(head != NULL){
        int currentData = head->data;
        printf("currentData = %i\\n", currentData);
        head = head->next;
    }
}

链表销毁

/**
 * @brief destroyList 销毁链表
 * @param head 链表头指针
 */
void destroyList(Node *head){
    Node *cur = NULL;
    while(head != NULL){
        cur = head->next;
        free(head);
        head = cur;
    }
}

链表长度计算

/**
 * @brief listLength 计算链表长度
 * @param head 链表头指针
 * @return 链表长度
 */
int listLength(Node *head){
    int count = 0;
    head = head->next;
    while(head){
       count++;
       head = head->next;
    }
    return count;
}

链表查找

/**
 * @brief searchList 查找指定节点
 * @param head 链表头指针
 * @param key 需要查找的值
 * @return
 */
Node *searchList(Node *head, int key){
    head = head->next;
    while(head){
        if(head->data == key){
            break;
        }else{
            head = head->next;
        }
    }
    return head;
}

链表删除

void deleteNodeList(Node *head, Node *find){
    while(head->next != find){
        head = head->next;
    }
    head->next = find->next;
    free(find);
}

作业

• 给链表排序

/**
 * @brief bubbleSort 对链表进行排序
 * @param head 链表头指针
 */
void bubbleSort(Node *head){
    // 1.计算链表长度
    int len = listLength(head);
    // 2.定义变量记录前后节点
    Node *cur = NULL;
   // 3.相邻元素进行比较, 进行冒泡排序
    for(int i = 0; i < len - 1; i++){
        cur = head->next;
        for(int j = 0; j < len - 1 - i; j++){
            printf("%i, %i\\n", cur->data, cur->next->data);
            if((cur->data) > (cur->next->data)){
                int temp = cur->data;
                cur->data = cur->next->data;
                cur->next->data = temp;
            }
            cur = cur->next;
        }
    }
}

/**
 * @brief sortList 对链表进行排序
 * @param head 链表头指针
 */
void sortList(Node *head){
    // 0.计算链表长度
    int len = listLength(head);
    // 1.定义变量保存前后两个节点
    Node *sh, *pre, *cur;
    for(int i = 0; i < len - 1; i ++){
        sh = head; // 头节点
        pre = sh->next; // 第一个节点
        cur = pre->next; // 第二个节点
        for(int j = 0; j < len - 1 - i; j++){
            if(pre->data > cur->data){
                // 交换节点位置
                sh->next = cur;
                pre->next = cur->next;
                cur->next = pre;
                // 恢复节点名称
                Node *temp = pre;
                pre = cur;
                cur = temp;
            }
            // 让所有节点往后移动
            sh = sh->next;
            pre = pre->next;
            cur = cur->next;
        }
    }
}

• 链表反转

/**
 * @brief reverseList 反转链表
 * @param head 链表头指针
 */
void reverseList(Node *head){
    // 1.将链表一分为二
    Node *pre, *cur;
    pre = head->next;
    head->next = NULL;
    // 2.重新插入节点
    while(pre){
        cur = pre->next;
        pre->next = head->next;
        head->next = pre;

        pre = cur;
    }
}

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