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C指针与内存

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

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#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;

}
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   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:

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#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;

   } 

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·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。

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