程序员C语言快速上手——高级篇（十）

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

1. 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

2. 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。

3. 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.h
    int *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 520
        if(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NULL
    int (*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

1. 利用函数指针可以实现函数式编程
2. 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
3. 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short2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

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