C指针与内存

Posted 2020-09-21 叶常绿

C指针与内存

　　指针是C / C++ 中重要的构造类型，指针赋予了C / C++程序直接访问和修改内存的能力。C / C++的许多重要应用，如编译、OS、嵌入式开发都依赖于这种能力。

　　冯诺依曼体系的计算机内存存储指令和数据，我们可以将其抽象为指令区和数据区（当然实际情况要复杂得多）。数据区中包含栈(stack)和堆(heap)区，栈区的数据由编译器管理而堆区数据则由程序员管理。

　　由于指令同样存在于内存中，那么函数在内存中也会拥有地址（指针）。 函数指针相对于函数名来说 可以在运行期动态地选择调用的函数，这一特性是C++实现动态多态性的重要基础。

 

一、 指针的基本用法

　　指针是一种构造类型，所有的基本类型和struct等都有自己的指针。指针包含首地址（即指针的值）和指向对象的类型两部分信息，所以指针并不严格等价于地址。

　　不要使用未初始化的指针否则将导致严重的运行时错误，所幸操作系统的内存管理可以保证操作系统自身和其它进程的稳定，但你的程序肯定会异常退出了。指针的类型是重要的，指向struct的指针初始化后可以使用ptr -> member表达式来访问某一个成员，但是未经初始化或void 指针将导致错误或警告。

　　在《C编程基础》中提到，方括号([])，指针(*)这些符号在声明语句和执行语句中的含义有所不同，但依旧具有运算符的一些特性。

即指针(*)，方括号([])以及函数调用的(参数表)在声明语句中 可以认为是将一个标识符标记为特殊类型的标志，当同一个声明语句中存在多个标志时，它们按照表达式求解的顺序决定声明的类型：

　　(1)基本声明：

　　　　 int *p; 声明指针p（注意不是*p），*p表示其指向的数据。

　　　　 int p[M]; 声明长为M的一维数组p。

　　　　 int p[M][M]; 声明M×M二维数组p。

　　(2)复合声明：

　　　　 int **p 声明p为二重指针（不是**p），则 *p为一重指针，**p为数据对象。

　　　　 int *p[M] 声明指针数组，初等运算符从右向左结合首先声明一个数组，然后声明数组元素类型为指针。

　　　　 int *fun(...) 声明返回指针的函数，从右向左首先声明fun为函数，然后声明返回值类型为指针。

　　　　 int (*ptr) (...) 声明ptr为函数指针，从右向左首先声明这是一个函数，(*ptr)声明这是一个函数指针。使用函数指针时只需以(*ptr)代替函数名即可，例：

　　　qsort库函数使用函数指针作谓词函数

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

 

int tell(const void *a,const void *b) {

   int x, y;

   x = *(int *)a;

   y = *(int *)b;

   return x - y;

}

 

int main(void) {

   int i, m, a[256] = { 0 };

   int (*tp) (const void *a, void *b);

   tp = tell;

   scanf("%d", &m);

   for (i = 0; i < m; i++) {

     scanf("%d", &a[i]);

   }

   qsort (a, m,sizeof(int ),tp);

   for (i=0;i<m;i++) {

printf("%d ",a[i]);

   }

   printf("\n");

   return 0;

}

　　　指针作为函数参数则可以实现传址调用，下面给出一个最简单的交换两个数的程序：

#include<stdio.h>

   

   int swap(int *pa, int *pb) {
             int t;

  t = *pa; // *pa is "a" itself

  *pa = *pb;

  *pb = t;

  return 0;

         }

 

   int main(void) {

  int a,b;

  scanf("%d %d",&a,&b);

  swap(&a,&b); // using &a as a ptr to "a"

  printf("%d %d\n",a,b);

  return 0;

   } 

·常指针

　　　 const int * ptr;  int const * ptr; 指向常对象的指针

　　　 int * const ptr = &a; 指向不能改变的指针，必须初始化

　　　 const int * const ptr = &a;  int const * const ptr; 

 　　　指向与对象均不能改变的指针；

 　　　以*为标志，靠近基本类型的为指向常对象，靠近指针名为指向不变。

 

二、 数组及其存储

　　1.一维数组

　　上文已经说明数组的声明方式:

　　　　(1)声明一个长度为8的int数组arr int arr[8]; 

　　　　(2)数组的长度必须为常正整数,不能是const对象【const int n = 8;int arr[n];】；可以是枚举元素但不能是枚举对象，通常使用字面值或宏来作为长度 #define N 10 ；

　　　　(3)数组下标从0开始（不是1）；

　　　　(4)方括号（[]）可以访问数组的某个成员， arr[i];arr[0]; 。

　　在函数内定义的数组不会自动初始化，在函数外定义的数组将自动初始化为0（或等价值）。在函数内定义数组同时初始化时，未初始化变量将自动初始为0值 int arr[8] = {1,2,3}; 常用这个特性将数组全部初始化为0值， int arr[8] = {0}; 。将所有元素初始化时不需要指定数组长度，即 int arr[] = {1,2}; 与 int arr[2] = {1,2} 等价。

　　2.高维数组

　　我们可以将高维数组理解为数组的数组，即高维数组的元素是低一维的数组。因为数组就名就是其首地址，那么，高维数组的元素是低维数组的首地址。以二维数组为例，利用a[i]<=>*(a+i)逐级展开

    　　　　　 　　a[i][j] <=> *(a[i]+j) <=> *(*(a+i)+j)

　　i的单位为一维数组的长度，j的单位为基本类型的长度。推导时，将[]展开即可，加一个&就是少一个*。

    　　　　　 　　*(a+i)+j <=> a[i]+j <=> &a[i][j]

　　高维数组的初始化有两种形式。首先将其元素理解为数组，每一个数组的初值用一个花括号括起，把它们当做一个元素用另一个大括号括起。高维数组在内存中是线性存储的，可以根据它在内存中的存储顺序当做一维数组进行初始化。这两种方式下，没有被赋值的元素均被自动赋0。在对所有元素赋值时，第一维的长度可以省略由编译系统求出，其它维数不可省略。

 　　3.

　　数组是一段连续的内存空间，数组名可以认为是常指针（不允许更改指向）。从数组实现来看，下标从0开始是非常自然的。

　　C对下标的处理方法的处理方法就是将它转化为地址，a[i]与*(a+i)无条件等价。

三、动态内存管理

　　1.分配内存(memory alloc):

　　　　 void *malloc(unsigned int size); （常用）

　　　　(1) 在内存中分配一个大小为size的连续空间，参数size为无符号整型（不允许为负数）。函数的返回值是所分配区域第一个字节的地址。如果函数不能成功地执行（如内存空间不足）则返回空指针(NULL)。

　　　　(2) void指针类型不能理解为指向任何类型，而应理解为指向不确定类型的数据的指针。应用指派运算符（强制转换）将void指针变为具体的类型指针，size参数应用sizeof()运算符求得以避免错误,如结构体的大小不严格等于所有成员大小之和并提高程序可移植性。例如：

　　　　 int * ptr = (int *)malloc( sizeof(int)* N ); 

　　　　声明ptr指向一段长度为N连续int型空间（实际上是一个长度为N的int数组）。

　　2.分配连续空间:

　　　　 void *calloc(unsigned n,unsigned size); 

　　　　在动态存储区分配n个长度为size的连续空间，可以用来保存一个数组。

　　3.释放内存(free):

　　　　 void free(void *p); 

　　　　释放指针变量p所指向的动态空间，无返回值。例如：  free(ptr); 

　　4.重新分配内存(realloc):

　　　　 void *realloc(void *p,unsigned int size); 

　　　　将p指向的动态空间大小改变为size。