【C语言】内存函数的使用和模拟实现

TANGLONG2222024-10-04 10:06

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一、memcpy的使用和模拟实现

在之前我们学习了使用和模拟实现strncpy函数，它是一个字符串函数，用来按照给定的字节个数来拷贝字符串，那么问题来了我们想拷贝的不是字符串，而是整型、浮点型的数据，该怎么办呢？

这时候就要使用我们的内存函数memcpy，mem是memory的缩写，它原本是记忆的意思，在这里是内存的意思，它的作用范围就宽泛多了，因为它是对内存块的内容进行拷贝，不管内存中存放的是什么数据类型，都可以通过拷贝内存块来实现拷贝

但是使用函数memcpy需要包含的头文件还是<string.h>，接下来我们来看看这个函数的原型：

c 复制代码 
void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num );

它有三个参数，可以看到，它的前两个参数不再是char * 指针，而是void*的指针了，因为我们不再知道要拷贝的内容具体是什么数据类型，所以可以使用void * 的指针，而它的第三个参数是一个无符号整型，代表了要拷贝的内存的字节数

它的返回类型是void * ，也是由于不知道需要操作的数据类型是什么，所以使用void * ，那它具体返回的地址是什么呢？我们可以参照字符串函数strcpy，它返回的就是目标空间的首地址，memcpy函数也是这样，返回目标空间的首地址，也就是这里的destination

接着我们可以总结出memcpy函数的特点：

  • 函数memcpy从source的位置，也就是源空间的首地址开始，向后复制num个字节的数据到destination指向的内存位置
  • 这个函数在遇到 '\0' 的时候并不会停下来，它拷贝多少数据完全看第三个参数
  • 如果source和destination有任何的重叠，复制的结果都是未定义的

接下来我们来简单使用一下这个函数，用它来拷贝一个整型数组，如下：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int arr1[20] = { 0 };
	int arr2[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 }; 
	memcpy(arr1, arr2, sizeof(arr2));
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr1[i]);
	}
	return 0;
}

我们来看看运行结果：

可以看到它已经帮我们把数据完全拷贝过来了，它是怎么做到的呢？我们来试着模拟实现一下这个函数，就会发现其实并不难，它会结合我们学过的qsort实现和strcpy实现的知识，现在我们赶紧来实现一下吧！

  1. 函数命名：my_memcpy
  2. 函数参数：照抄memcpy的参数，简化一些长的名字：
c 复制代码 
void* my_memcpy ( void* dest, const void* src, size_t num )
  1. 函数实现：
    （1）老规矩，首先进行一次断言，确保这两个指针不是空指针
    （2）由于要返回目标空间的首地址，所以要创建一个void*的指针变量start来存储，用于最后的返回
    （3）这里由于不知道是什么类型的数据，所以我们不能妄自定义一个数据类型，这里我们可以采用qsort里面的思想，将它们转为字符指针，一个字节一个字节的拷贝，这样就可以确保能够完美拷贝所有数据
    （4）所以我们创建一个while循环，每进行一次循环就让num--，每一次循环我们就进行一个字节的拷贝，并且拷贝完后让dest和src往后走一个字节
    （5）进行一个字节的拷贝就很简单了，只需要将dest和src强制类型转换为字符指针就可以了，主要是让它们往后面走一个字节不能使用(char * )dest++，所以我们这里可以采用++最原始的操作，就是给它+1，然后赋值给dest，如下：
c 复制代码 
dest = (char*)dest + 1;

（6）最后一步就是返回之前存下的变量start

  1. 函数代码：
c 复制代码 
#include <assert.h>

void* my_memcpy(void* dest, const void* src, size_t num)
{
	assert(dest && src);
	void* start = dest;

	while (num--)
	{
		*(char*)dest = *(char*)src;
		dest = (char*)dest + 1;
		src = (char*)src + 1;
	}
	return start;
}
  1. 函数测试：

最后我们来探讨一个问题，memcpy能否自己对自己进行拷贝呢？比如有一个数组arr，存放的是1到10的数字，能不能将从1开始的4个整型数据，拷贝到从5开始的4个整型数据，如下图：

能否将绿色圆圈内的数据作为源数据，拷贝到蓝色圆圈的空间中，使得数组中的数据变成1 2 3 4 1 2 3 4 9 10，问题就在于怎么找到从5开始的地址

arr是首元素地址，所以很容易想到，可以使用arr+4来作为目标空间地址，而arr作为源地址，我们来测试一下，如图：

可以看到，它成功实现了，接着我们继续思考，如果在拷贝时源空间和目标空间有重叠呢？如图：
   这个时候我们想要经过拷贝后，数据变成1 2 3 4 3 4 5 6 9 10，memcpy能否帮我们实现拷贝呢？如图：

可以看到居然失败了，这是为什么呢？我们可以画图求解：

到经过第三个整型的拷贝时我们发现了问题，原本该被拷贝的5现在已经变成了3，所以在7，的位置放的是3，在8的位置放的是4，所以最后整个数组变成了这个样子：

跟我们打印出来的样子一模一样，那么怎么才能实现怎么内存重叠的拷贝呢？这个就要用到我们马上要学习的memmove函数了

但是在学习memmove函数之前，我们先插个题外话，刚刚我们一直使用的是自己实现的memcpy，无法处理内存重叠的情况，那库里面的那个memcpy函数本尊呢？能否实现，我们来看看：

可以看到，神奇的事情发生了，库里面的memcpy居然可以处理这种内存重叠的情况，那是不是我们写的memcpy太挫了呢？

很明显不是，是因为C语言规定了memcpy只处理没有内存重叠的情况，有内存重叠的情况交给memmove函数解决，这里的memcpy函数又为什么能够解决这个问题呢？

这个就涉及到编译器的问题了，比如C语言规定memcpy只处理没有内存重叠的情况，而VS的memcpy在处理了没有内存重叠的基础上，还实现了有内存重叠的情况，相当于老师只要求你考60分就能及格，就能到达要求，而你考了100分

所以不用担心是不是我们的momcpy函数实现的有问题，我们实现的momcpy已经满足C语言的规定了，已经合格了，没有问题

二、memmove的使用和模拟实现

memmove函数相当于时memcpy函数的进阶版，它不仅可以实现C语言规定的memcpy函数的功能，处理没有内存重叠的情况，还能处理存在内存重叠的情况，使用它也需要包含头文件string.h

我们来看看memmove的原型：

c 复制代码 
 void * memmove ( void * destination, const void * source, size_t num );

可以看到和memcpy的原型长得一模一样，它们参数的含义和返回值都相同，这样就不再赘述

我们可以总结一下它们的不同：

  • 和memcpy的差别就是memmove函数处理的源内存块和⽬标内存块是可以重叠的
  • 如果源空间和⽬标空间出现重叠，就得使⽤memmove函数处理

接着我们首先来测试一下memmove能否实现memcpy的功能，如下图：

很明显我们看到memmove成功实现了，接着我们继续用memmove测试，让它替我们处理内存重叠的情况，如下：

可以看到memmove完美替我们解决了问题，我们接下来就来学习它的模拟实现：

  1. 函数命名：my_memmove
  2. 函数参数：
c 复制代码 
void* my_memmove ( void* dest, const void* src, size_t num )
  1. 函数实现：
    （1）老规矩，对dest和src断言，确保它们不是空指针
    （2）然后创建一个变量start用来存储dest的值，用于最后的返回
    （3）我们来想想怎么解决内存重叠的情况，根据之前的尝试，我们知道，根据memcpy那样实现肯定不行，而memcpy实现时我们采用的是从前往后拷贝，我们可以来尝试一下从后往前拷贝
    （4）我们可以画一个图试试，如下：

    很明显看到居然成功了，说明这种情况从后往前进行拷贝是可以的，那么是不是所有情况都可以这样呢？我们接着继续讨论
    （5）我们将上面的源空间和目标空间交换试一试:

    这里就发现问题了，再想从后往前拷贝一个整型时，我们发现5和6都已经被覆盖了，无法得到了正确结果，所以光从后往前拷贝是行不通的
    （6）经过简单的思考，我们可以发现在上图的情况下，从前往后进行拷贝居然又可以了，问题就在于我们如何判断什么时候从前往后拷贝，什么时候从后往前拷贝
    （7）我们可以根据dest和src的位置判断，当目标空间首地址dest在源空间首地址src前时，就是分析的第（5）点中，我们从前往后拷贝，当目标空间首地址dest在源空间首地址src后面时，也就是分析第（4）点中，我们从后往前拷贝
    （8）我们之前说过，数组的空间是连续的，并且随着下标的增大，地址也是逐渐增大的，所以我们可以发现当dest>src，就正常从前往后拷贝，当dest<src时，就从后往前拷贝
    （9）从前往后拷贝我们之前在memcpy讲过，就不再赘述了，如下：
c 复制代码 
	if (dest < src)
	{
		while (num--)
		{
			*(char*)dest = *(char*)src;
			dest = (char*)dest + 1;
			src = (char*)src + 1;
		}
	}

（10）主要是要解决从后往后拷贝的问题，关键就在于找到dest和src空间的末尾地址，方法也很巧妙，我们可以根据while(num--)，当第一次进入循环num就已经-1了，这时我们让dest和src加上num，就可以得到dest和src空间的末尾地址，这时就把src指向的内容赋值给dest指向的内容，然后随着下一次num--，dest和src加上num就跟着改变了，依次类推就可以实现从后往前拷贝，如下：

c 复制代码 
	else
	{
		while (num--)
		{
			*((char*)dest + num) = *((char*)src + num);
		}
  1. 函数代码：
c 复制代码 
#include <assert.h>

void* my_memmove(void* dest, const void* src, size_t num)
{
	assert(dest && src);
	void* start = dest;
	if (dest < src)
	{
		while (num--)
		{
			*(char*)dest = *(char*)src;
			dest = (char*)dest + 1;
			src = (char*)src + 1;
		}
	}
	else
	{
		while (num--)
		{
			*((char*)dest + num) = *((char*)src + num);
		}
	}
	return start;
}
  1. 函数测试：
       可以看到确实实现memmove的功能了

三、memset的使用

顾名思义，memset就是设置内存，它的作用就是一次性将num个字节全部置为某个值，使用它需要包含头文件string.h，我们来看看它的原型：

c 复制代码 
void * memset ( void * ptr, int value, size_t num );

它的第一个参数就是要设置的数组的首元素地址，第二个参数是要设置的值，第三个参数就是要设置多少个字节

我们要注意的是第二个参数是int类型的，所以一般不会用在浮点型当中，可以用在整型和字符型，因为字符型本质上存储的是ascll码值，也相当于整型

所以当数组是整型数组和字符数组时，可以通过这个函数来设置它们的值

我们首先测试一下整型数组，将所有数组的元素设置为0，如图：

使用起来是不是特别方便呢？一般会用在竞赛或者项目中，需要多组输入之类的，使用完一个数组，需要把它的元素都置为0

接下来我们想想，能不能使用这个函数将数组中的所有元素更改为1，如图：

可以看到失败了，这是为什么呢？这是因为memset设置的单位是字节，而整型有4个字节，每一个字节都设置为1，这个数就很大了，我们来看看内存窗口，如图：

接下来我们再来测试将字符数组全部弄成字符'x'，如图：

可以看到，memset连带着\0和空格都改成了字符x，当然，如果不想\0被改掉，在写最后一个参数时可以-1

到这里我们就讲完了memset，至于它的模拟实现，可以自行去实现，因为比较简单，只需要一个字节一个字节将对应的内容改成给出的数据即可，这里就不再赘述

四、memcmp的使用

它跟我们学习过的strncmp有点像，strncmp可以根据给出的字节数来比较字符串的大小，而memcmp是根据给出的字节数来比较各种类型的数据的大小，使用它需要包含头文件string.h，接下来我们来看看它的原型：

c 复制代码 
int memcmp ( const void * ptr1, const void * ptr2, size_t num );

可以看到它和strncmp的参数一模一样，第一个参数是要比较的内容的首地址，第二个也是如此，第三个参数用来指定要比较的字节的个数，而返回值也和strncmp的规则一样，前一个大就返回大于0的数，后一个大返回小于0的数，相等则返回0

接下来我们就用它来比较一下整型数组，如下：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int arr2[] = { 1,2,3,3 };
	int ret = memcmp(arr1, arr2, 4 * sizeof(int));
	printf("经过4个整型的比较：");
	if (ret > 0)
		printf("arr1更大\n");
	else if (ret < 0)
		printf("arr2更大\n");
	else
		printf("arr1和arr2相等\n");
	return 0;
}

运行结果：

在比较时，还需要注意一点，就是设置的要比较的字节数要有意义，比如arr2现在只有4个整型数据，如果要比较5个整型数据，也就是20个字节，就会读取到无效数据，所以最好保证字节数有意义

那么它能否比较字符串呢？我们可以来测试一下：

可以看到memcmp也可以比较字符串，至于memcmp的模拟实现可以自行完成，也是一个一个字节去比较，这里就不再赘述了

我们的内存函数讲解就到这里结束了，如果有什么不懂的，欢迎在评论区提问

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