C语言快速上手（二）

本文内容来自C语言快速上手系列，该篇内容仅作为笔记使用

作者：[血色v残阳]

作者微信公众号： 编程之路从0到1

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预处理

所谓预处理，就是在办正事之前做一点准备工作。预处理指令都是以#号开头的，这一点很好辨认。

在之前，我们已经了解过了#include、#define这两个指令，实际上预处理指令并不是C语言词法的一部分，它仅仅是写给编译器看的，让编译器在正式编译之前，先帮我们做点小事情。

声明展开

头文件中的声明最终都要被拷贝到源文件中，这件事被称为声明展开

预处理指令

文件包含

使用#include指令包含一个指定文件

宏定义

使用#define指令定义一个宏
使用#undef指令删除一个宏

之前说用#define来定义常量，实际上就是利用宏的预处理，进行字符串替换而已。现在我们就使用gcc命令要验证

// main.c
#define PI 3.14

int main(){
    int r = PI *10 + PI*PI;
    return 0;
}

// gcc -E main.c // 直接在命令行打印预处理结果

输出：

# 1 "main.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 1 "main.c"


int main(){
    int r = 3.14 *10 + 3.14*3.14; // 可以很清楚的看到，预处理之后，将所有的PI进行了文本替换。
}

条件编译

包含#if、#ifdef、ifndef等，使预处理器可以根据条件确定是否将一段文本包含

// main.c
#define PI 3.14

int main(){
    int a = 0;
#if 0
    int r = PI *10 + PI*PI;
#endif
    return 0;
}

// 预编译输出

# 1 "main.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 1 "main.c"


int main(){
    int a = 0;
}

可以看到，当使用条件预处理指令#if时，判断的条件为0，直接就将包裹的代码删除了，实际上在真正的编译之后的程序中 ，根本就不存在这些内容，等同你从来没写过。

关于预编译指令，需要记住几点

  1. #开头的预处理指令必须顶格写，前面不要有空格
  2. 记住三大类预处理指令的特点，#include指令是声明展开，宏定义是文本替换，条件编译是直接删除代码。

预处理的高级使用

普通宏

#define 标识符 替换列表
#define PI 3.1514

带参数的宏(函数式宏、宏函数)

#define 标识符(a,b,c,...,d) 替换列表
#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))

宏函数注意事项：

max = MAX(i++,j);

如上例，错误的使用宏函数，可能得到预期之外的结果，上例在预处理之后，被替换为如下代码，i会被加两次：

max = ((i++) > (j) ? (i++) : (j));

关于小括号的注意事项

1、如果宏替换列表中有运算符号，那么必须将整个替换列表放入小括号中
#define TOW_PI (2*3.14)

2、如果宏有参数，那么每个参数在替换列表中出现时，都要放在小括号中
#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))

  • 运算符

    宏定义包含两个专用运算符#和##

    • # 运算符可以用来字符串化宏函数里的参数，它出现在带参数宏的替换列表中。
    #define PRINT_INT(n) printf(#n "=%d\n",n)

PRINT_INT(i/j);
//宏展开为
printf("i/j""=%d\n",i/j)
    
//等价于（C语言相邻字符串字面量会被合并）
printf("i/j=%d\n",i/j)
  • ## 运算符可以将两个记号（如标识符）粘合在一起。
#define MK_ID(n) i##n

int MK_ID(1),MK_ID(2);
//宏展开后
int i1,i2;

实际代码示例：

#define GENERIC_MAX(type)    \
    type type##_max(type x,type y){ \
        return x > y ? x : y;
    }
    
//需要float类型的求最大值函数，则可以如下定义
GENERIC_MAX(float)
//再定义一个int类型的最大值函数，我们可以量产函数了
GENERIC_MAX(int)

//float的宏函数展开为
float float_max(float x,float y){
    return x > y ？ x ： y；
}

这样，就可以使用一个宏函数，生成对各种基本类型数据求最大值的max函数了。

创建包含多条语句的宏

使用do-while编写多条语句宏是一种C语言的技巧。

#define ECHO(s)  \
    do{          \
        gets(s); \
        puts(s); \
    }while(0)  
    
ECHO(str);
//宏展开后
do{gets(str);puts(str);}while(0);

预定义宏

这是编译器预先给我们定义好了的宏，可以直接在代码中使用，例如打印日志时，就可以使用_LINE_宏，将当前代码的行号也输出

宏 简述
_LINE_ 当前程序行的行号（十进制整型常量）
_FILE_ 当前源文件名（字符串型常量 ）
_DATE_ 编译的日期（表示为Mmm dd yyyy 形式的字符串常量）
_TIME_ 编译的时间（hh:mm :ss形式的字符串型常量）
_STDC_ 编译器符合C标准，值为1

关于宏的一些总结

  • 使用宏函数，可以减少函数栈的调用，稍微提升一点性能，相当于C++中的内联的概念，在C99中也实现了内联函数的新特性。缺点是宏展开后，增加了编译后的体积大小。
  • 宏参数没有类型检查，缺少安全机制。
  • 宏的替换列表可以包含对其他宏的调用
  • 宏定义的作用范围，直到出现这个宏的文件末尾
  • 宏不能被定义两次，除非新定义与旧定义完全一样
  • 可以使用#undef 标识符取消宏定义，若宏不存在，则该指令没有作用

条件编译

#if和#endif 

#define DEBUG 1


/* 
#if和#endif成对出现，
#if后面跟常量表达式，0为false，反之true。
当为0时，它们之间的代码在预处理时会被删去 */

#if DEBUG
printf("this is debug!\n");
#endif

​ 需要注意，#if后面的标识符如未被定义过时，则当作值为0处理，因此默认为0时，可以不用定义该宏。

defined运算符

#define DEBUG

#if defined DEBUG
...
#endif

​ 检测其后的标识符是否有定义过，若定义过则返回1，否则返回0

#ifdef和#ifndef

#ifdef指令用于检测一个标识符是否已经被定义为宏，

#ifndef则相反，检测一个标识符是否未被定义为宏

#ifdef 标识符

/* 它等价于以下指令 */
#if defined 标识符

#elif和#else

这两个指令结合#if使用，相当于C语言中的if…else if…else的用法。这两个指令还可以与#ifdef或#ifndef结合使用

#if 表达式1
...
#elif 表达式2
...
#else
...
#endif

条件编译主要可以用于
1、需要测试调试代码时，打印更多信息，正式发布时则去除这些代码
2、跨平台，跨编译器。对于不同平台，可以包含不同的代码，使用不同的编译器特性
3、屏蔽代码。使用注释符号注释代码时，有一个缺点，注释无法嵌套，即不能注释中间包含注释的代码，使用条件编译则很方便

  • 其他预处理指令

    • #error 指令
      可以用于检查某些编译器属性，当不符合时，提示错误，并终止编译。
    #error 消息

程序结构与作用域

局部变量

函数内部声明的变量，只在声明它的函数内有效

每次调用函数时，生成的局部变量的储存空间可能都是不同的，意即局部变量在函数调用结束后，就会释放，下次调用函数，生成的局部变量又是一个新的

在函数的形式参数中声明的变量，也都是局部变量

全局变量

在所有的函数体之外声明的变量

全局变量在文件作用域内可见

编译器会自动将全局变量进行零值初始化。因此在使用时，只需要声明即可。

如果需要手动指定其值进行初始化，则它只能被常量表达式初始化，使用其他的变量表达式初始化是不合法的。

static关键字

除了局部变量和全局变量，C语言中还有静态局部变量和静态全局变量，声明时使用static关键字修饰即代表静态的意思。

  • 修饰全局变量

    1. 静态全局变量，只在声明它的那个源文件中可以访问

    2. 静态全局变量虽然也是在整个程序的生命期中都有效，但它在其他文件中不可见，无法被访问

  • 修饰局部变量

    1. 存储位置不同
    2. 自动初始化为零值
    3. 只能被声明它的函数访问

  • 修饰函数

static 修饰的函数只能在当前源文件中使用，在其他源文件中无法被访问, 类似private权限修饰符

C语言函数不能同名， static修饰符可以在一定程度上避免命名冲突

extern关键字

  • 修饰变量

全局变量的作用域仅在文件作用域内

extern int s_global;并不是重新声明变量的意思，它表示的是引用全局变量s_global

#include <stdio.h>
// 写在函数外部，表示在当前文件中的任意地方都可以使用s_global
// extern int s_global;

int main(){
    // 写在函数内部，仅在函数中使用
    extern int s_global;
    printf("s_global = %d\n", s_global);
    return 0;
}
  • 修饰函数

通常C语言中的函数都使用头文件包含的方式引入声明，但我们也可以使用extern修饰。

实际上C语言中的函数声明默认都是包含extern的，无需手动指定。

//以下两种是等价的，无需手动指定extern关键字
int get_count();
extern int get_count();
  • 小拓展

有时候我们可能会看到extern “C”这样的声明，请注意，这不是C语言的语法，也不属于C语言。有些C++程序员，经常把C语言和C++语言搞混，实际上这是两种不同的语言，C++也并不是很多人说的那样，完全是C语言的超集，更准确的说法应该是，C++是一种独立的语言，它兼容C语言的绝大多数语法，但并不是百分百完全兼容。C++除了兼容的C语言的语法，另一部分就是它独立的内容。如果不能完全清楚这两种语言的边界，就会发生语法弄混的情况。

在C++中，当需要调用纯C语言编写的函数时，通常会使用extern “C”声明，表明这是纯C语言的内容。

头文件的嵌套包含

所谓嵌套包含，就是指在一个头文件中，还可以使用#include预编译指令，包含其他的头文件。

// bool.h
#define Bool int
#define False 0
#define True 1

在以上头文件中，我们使用宏定义了新类型Bool，接着编写func.h头文件

#include "bool.h"

// 声明一个函数，返回值为Bool类型，值可以是False 或者True 
Bool check();

头文件的保护

如果一个源文件将同一个头文件包含两次，那么就可能会产生编译错误。因此，在C语言的模块化开发中，一定要避免将同一个头文件包含两次。但是，有时候这种包含不是明显的，而是一种隐式的包含，不易察觉，不知不觉就犯下了错误。

// h1.h
#include "h3.h"
……

// h2.h
#include "h3.h"
……

// main.c
#include "h1.h"
#include "h2.h"
……

这样一来，实际上就等同于在main.c中将h3.h头文件include了两次，显然违背了我们上面说的，不能在一个源文件中将同一个头文件包含两次的原则。因为所谓头文件包含，实际上就是将头文件中的声明复制到当前源文件中，那么上例中h3.h一定会被复制两次。

问题出来了，该如何解决呢？在复杂的大型工程中，头文件被重复包含的问题一定是避免不了的，这个时候就需要我们上一章讲的条件编译知识出来救场了。

修改h3.h文件, 内容如下：

// 如果没有定义过_H_H3_ 宏，则定义一个_H_H3_ 宏
#ifndef _H_H3_
#define _H_H3_

// 声明的内容 ……

#endif

注意，这里使用#ifndef和#endif将整个头文件中的全部内容包裹起来，然后在#ifndef之后通过#define定义一个宏，这样一来，#ifndef和#endif之间的内容就只会被预编译一次，而不会重复包含。这种机制，被戏称为头文件卫士，或者称为头文件保护。如果对于这种写法不太理解，可以使用上一章介绍的gcc -E命令，生成预编译代码查看，即可明了。

最后，需特别注意的地方是宏的名字，这里是H_H3，使用头文件包含这种机制时，宏定义的名字一定要独特，避免重复，以免导致各种不可预知的问题。

通常宏的名字要全部大写，并用下划线来分隔单词或缩写，在这个宏的名称中，最好包含当前头文件的文件名，例如H3。

结构体

结构体是一种聚合数据类型，C语言的数组也是一种聚合数据类型，它们显著的区别是，数组是相同数据类型的集合，而结构体可以是不同数据类型的集合。

结构体的声明与使用

// 声明一个结构体
struct student {
    char *name;
    int age;
    char *number;
    char *grade;
};

结构体声明的一般格式

struct 标签名 ｛
    成员变量1
    成员变量2
    ……
｝;

结构体被声明之后，就相当于产生了一个新的数据类型，我们可以如下使用：

#include <stdio.h>
// 声明一个结构体
struct student
{
    char *name;
    int age;
    char *number;
    char *grade;
};

int main(){
    // 声明结构体变量:stu
    struct student stu;
    // 为结构体中的成员赋值
    stu.name = "zhangsan";
    stu.age = 19;
    stu.number = "A010";
    stu.grade = "18级"; 
    // 访问结构体中各个成员变量的内容
    printf("学生信息：%s,%d,%s,%s\n",stu.name,stu.age,stu.number,stu.grade);
    return 0;
}

有几个点需要注意：

  1. 使用关键字struct + 标签名 + 一对花括号 + 分号 来声明结构体。在花括号中，声明结构体需要包含的变量，这些变量被称为结构体的成员变量，或成员字段。一定要注意，结尾的分号不能掉！
  2. 在使用时，需将struct + 标签名合起来看做一种新的类型，然后使用我们熟知的数据类型 + 变量名的格式来声明一个结构体变量。例如struct student stu;，这里struct student是一种新类型，stu则是变量名。这里一定要注意，声明结构体和声明结构体变量完全是两回事！
  3. 使用英文句号.来访问结构体中的成员变量，这被称为结构体成员访问符。

结构体变量的初始化

以上是通过结构体变量来访问成员变量来逐个进行赋值的，实际上结构体可以在声明的同时进行初始化，这点类似于数组。

按顺序初始化

struct student stu={"zhangsan",19,"A010","18级"};

缺省的顺序初始化

与数组类似的，我们也可以进行缺省的初始化，如下，这样就只会对前两个成员变量赋值，后面省略的变量会被进行零值初始化。

struct student stu={"zhangsan",19};
printStudent(stu); // 输出 学生信息：zhangsan,19,(null),(null)

指针变量的零值就是NULL，可以看到省略的最后两个成员变量被赋了零值。

零值初始化

前面一直强调，局部变量应当先初始化再使用，当结构体变量做局部变量时，也应当遵循。以上代码示例是没有遵循的，通常人们都喜欢先声明，后面就直接去操作了，忽略了初始化步骤，特别是当我们不确定结构体成员变量的值时，就会先声明放在那，这是不好的习惯，我们应当先做零值初始化。

int main(){
    // 声明同时对所有成员变量做零值初始化 
    struct student stu={NULL}; // struct student stu={0};

    // 初始化之后再去使用，正确！
    stu.name = "zhangsan";
    stu.age = 19;
    stu.number = "A010";
    // stu.grade = "18级";
    
    printStudent(stu);
    return 0;
}

指定成员初始化

按顺序初始化是不够灵活的，而且还需要记忆结构体成员变量的顺序，当结构体成员变量比较多时，就有些糟心了。因此C99标准推出了新的语法，指定成员变量名进行初始化

struct student stu={.age=18, .name="张三"};
printStudent(stu);

在成员变量名前面加上一个成员访问符.，然后使用=号的形式进行初始化赋值，多个之间用逗号分隔。

这种新的语法有两个明显的好处

一是语义化表达，每个值对应哪个成员变量非常清晰；

二是无序，不用再去关心成员变量声明时的顺序了。与顺序初始化相同的，没有被指定的成员变量，则会被自动的初始化为零值。

这种结构体初始化方式是我推荐的，它极大的提升了代码可读性，而且这种被称为声明式语法的表达，正是目前其他高级编程语言所流行的趋势。

结构体与内存

struct A
{
    int a;
    char b;
    short c;
}; // siez is 8

struct A
{
    char b;
    int a;
    short c;
}; // siez is 12

编译器为了提升内存访问的性能，它会做一件事，用通俗的话说，它会对结构体分组访问

通常在用32位来表示int类型的硬件平台上，它会将每四个字节分成一组来进行访问，这样可以提升内存访问效率。

譬如上面的例子，结构体中有三个变量a、b、c，如果不分组

正常情况下要向内存一个字节一个字节的读取数据，这样效率会比较低

但是分组访问就不一样了，假设我们约定4个字节为一组，那么int a正好是四个字节，第一组就访问它，剩下的char b和short c加起来总共3个字节，正好可以凑成第二组，这样一来，三个变量，只需要分两次访问就Ok了，大大减少了对内存的访问次数，提升了性能。

以上就是C语言中，所谓的结构体内存对齐的概念。带给我们的启示就是，在声明结构体成员变量时，不要随意去排列成员变量的顺序，要有意识的去安排变量的顺序适应内存对齐，这样可以减少结构体占用的内存大小。

在64位系统里，long类型表示8字节，那么结构体怎么进行内存对齐呢？实际上，上面仅仅是打比方来说明问题，不同的编译器，其结构体内存对齐的规则也不尽相同，并不是简单的仅仅按照4字节来对齐。Windows下的VC编译器，主要按照4字节或8字节来对齐，而Linux下的GCC则使用2字节或4字节来对齐，这个对齐参数被称为对齐模数。

如果我们不想优化性能，在某些特殊场景下，不希望某个结构体做内存对齐，则可以通过预编译指令进行设置

// 传入1，指定不做内存对齐，在结束处pack()不传参，恢复内存对齐
# pragma pack(1)
struct A
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
# pragma pack()

int main(){
    struct A struA = { 0 };
    printf("size is %d\n",sizeof(struA)); // size is 7
    return 0;
}

用# pragma pack(1)和# pragma pack()将不希望内存对齐的结构体包裹起来，再次查看打印结果

结构体与指针

结构体与数组很像，本质上就是指的一片特定的连续的内存空间，结构体成员就在这边内存空间中按顺序分布。那么所谓结构体指针，也就是指向该结构体的指针，结合结构体内存分布知识可知，这个指针实际上就是保存了结构体空间的初始地址。

int main(){
    // 声明并初始化一个结构体变量
    struct student stu = {0};
    // 声明一个结构体指针变量，并指向一个结构体
    struct student *p_stu = &stu;

    // 通过结构体指针访问成员
    printf("学生信息：%s,%d,%s,%s\n",p_stu->name,p_stu->age,
           p_stu->number,p_stu->grade);
    return 0;
}

事实上，将结构体作为一种新的类型，那么结构体指针与其他类型的指针用法也是相似的，唯一需要注意的地方是，结构体变量访问成员，使用成员访问符.，而结构体指针变量是不同的，它使用一个小箭头->来访问，要注意这两者的区别，万万不能混淆。

结构体的其他声明方式

上面的结构体声明方式只是一般方式，除此之外，还有各种怪异的声明方式，大多数是不推荐的，但是要能看懂别人的代码。

声明结构体同时还声明结构体变量

int main(){
    // 声明结构体的同时，再声明两个结构体变量a、b
    struct student
    {
        int age;
        char *name;
        char *number;
        char *grade;
    }a,b;


    // 再声明一个结构体变量c
    struct student c = {0};
    return 0;
}

还可以在声明结构体并声明结构体变量的同时初始化

int main(){
    struct student
    {
        int age;
        char *name;
        char *number;
        char *grade;
    }a={0},b={.name="李四"};

    printf("%s",b.name);
    return 0;
}

声明匿名的结构体

声明结构体时的标签名是可以省略的

// 声明一个结构体，并省略标签名，同时声明两个结构体变量a、b
struct
{
    int age;
    char *name;
    char *number;
    char *grade;
}a,b;

匿名结构体与有名字的结构体有显著的区别，因为它没有名字，必须在声明的同时声明好需要的结构体变量，后面它是没法再去声明新的结构体变量的。

这种用法有一个用处，如果我只指定声明一个结构体变量，那么全局就只有一个该结构体变量，后面无法定义新的结构体变量了。

结构体类型定义

在结构体的一般声明格式中，当我们声明好一个结构体后，使用的时候还需要将struct关键字+标签名作为一个整体来声明新的结构体变量，如struct student stu;，这样的语法表达非常麻烦。

实际上在C语言中，结构体声明通常是和另一关键字typedef结合起来使用的。

// 使用typedef时，省略结构体标签名
typedef struct{
    int age;
    char *name;
    char *number;
    char *grade;
} Student;

typedef struct{
    int x;
    int y;
} Point;

int main(){
    // 声明结构体变量
    Student stu = {0};
    Point point = {10,20};
    return 0;
}

以上的结构体使用方式，才真正符合我们的编程直觉，看起来更像C++、Java中的类的使用。通常的，我们应该在头文件中用以上方式声明结构体，然后在源文件中包含头文件，使用相应的结构体。

小拓展
typedef是一个可以用来定义类型别名的关键字，它并不仅仅是用在结构体声明中

typedef 旧类型名 新别名;

#define false 0
#define true 1
typedef int bool;
typedef char byte;

int main(){
    bool b=false;
    byte stream[10];
    return 0;
}

要注意，typedef定义的类型别名后面，一定要跟上分号结束。

结构体总结

  1. 在声明结构体变量的时候，编译器就为其分配内存空间
  2. 结构体在内存中的分布，是一片连续的内存空间
  3. 结构体指针保存的是结构体在内存空间的起始地址
  4. 结构体的总内存大小并不一定等于其全部成员变量内存大小之和，当存在内存对齐时，可能会多占用一些额外的空间
  5. 结构体变量使用.访问成员，结构体指针使用->访问成员
  6. 声明结构体时，建议结合typedef关键字创建别名
  7. 结构体可以嵌套使用，即将一个结构体作为另一个结构体的成员

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。

内存四大区域

  • 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;

指针高级用法

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;
}

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 = &num;

    // 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); // p=22fe4c
    printf("pp=%x\n", pp); // pp=22fe40
    printf("&pp=%x\n", &pp); // &pp=22fe38
    return 0;
}

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。

image

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。

image

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

【返回值类型】 (*变量名) (【参数类型】)

// 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

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*)&num;
    int *pInt = (int*)&num;

    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;
}

数据结构

https://blog.csdn.net/yingshukun/article/details/97308805

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