嵌入式(C语言篇)Day10

嵌入式Day10

一、strcmp函数功能

• 比较两个字符串的内容是否一致。
• 比较字符串的大小关系，用于对字符串的数组进行排序操作，是重要且常用的字符串操作库函数。

二、函数声明

int strcmp(const char *str1, const char *str2);

三、返回值含义

将函数调用看成"str1 - str2"，返回值决定两字符串的大小及是否相等关系：

1. 返回值 < 0 ：说明 str1 < str2
2. 返回值 = 0 ：说明 str1 = str2，即两个字符串内容一致
3. 返回值 > 0 ：说明 str1 > str2

注意：返回值只关注符号性和是否为 0，不关注具体取值。strcmp 函数的返回值实际只有 0、-1、1，用于表示两字符串的大小关系，只要知道大于 0、小于 0 以及等于 0 即可，具体值不重要。

四、实现原理

• 逐一比较两个字符串对应位置的字符，直到找到一个不相同的字符，然后直接返回它的编码值之差。
• 如果两个字符串的内容完全一致，相当于返回空字符编码值之差，也就是 0。
• 字符串大小判断遵循字典顺序，即按"字符编码"从左到右逐个比较的排序方式，编码值越小的字符串越小，编码值越大的越大，strcmp 函数实现的就是字典顺序判断。

五、手动实现strcmp函数示例

int my_strcmp(const char *s1, const char *s2) {
    while (*s1 && *s2 && *s1 == *s2) { // 当两个字符都不为空且相等时，移动指针继续比较下一对元素
        s1++;
        s2++;
    }
    // 不管是哪种情况（找到不相等字符或其中一个指针指向空字符），返回它们的编码值差就是结果
    return *s1 - *s2;
}

六、字符串数组的两种实现方式

（一）二维字符数组实现

本质

• 一维字符数组的一维数组，即char类型的二维数组，本质是连续内存存储的字符矩阵。

示例代码

char week_days[][10] = { "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday", "Sunday" };

特点

• 内存结构 ：字符串在内存中连续存储，每个字符串以'\0'结尾。
• 字符串性质 ：由栈上的局部数组初始化，非字符串字面值，可修改单个字符（如week_days[0][0] = 'm'），但数组名不可整体赋值。

优缺点

优点	缺点
1. 实现简单直接，逻辑易懂 2. 连续内存访问效率高	1. 列长需固定为最长字符串长度，空间浪费 2. 排序、删除等操作繁琐，适合只读场景

（二）字符指针数组实现

本质

• char*类型的一维数组，每个元素是字符串首元素指针，指向独立的字符数组（可位于栈、堆或只读数据段）。

示例代码

char *week_days2[] = { "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday", "Sunday" };

特点

• 内存结构：指针数组本身在栈上连续存储，但指向的字符串内存不连续（如字面值存于只读数据段）。
• 字符串性质 ：直接指向字符串字面值时，内容不可修改（如week_days2[2][0] = 'w'会报错），但指针指向可修改（如week_days2[0] = "星期一"）。

优缺点

优点	缺点
1. 无空间浪费，按需分配 2. 操作灵活，排序、删除等通过指针操作实现	1. 内存不连续，访问性能略低 2. 需理解指针指向规则，操作复杂度较高

七、两种实现方式对比

维度	二维字符数组	字符指针数组
内存连续性	字符串连续存储	字符串存储不连续，指针数组连续
空间效率	固定列长，可能浪费空间	按需分配，无浪费
操作灵活性	仅支持简单访问，修改繁琐	支持指针操作，适合频繁修改场景
适用场景	固定只读字符串集合（如星期列表）	动态修改场景（如命令行参数处理）
典型示例	char days[][10] = {...}	char *args[] = {"a", "b", "c"}

八、命令行参数（Linux系统编程）

（一）基本概念

• 定义 ：操作系统启动程序时传递给main函数的参数，以空格分割的字符串数组。

• main函数声明 ：

  int main(int argc, char *argv[]); // 常用声明
  // argc：参数个数（至少为1），argv：字符串数组（首个元素为程序路径）

（二）参数解析示例

int main(int argc, char *argv[]) {
  printf("参数个数：%d\n", argc);
  for (int i = 0; i < argc; i++) {
    printf("参数%d：%s\n", i, argv[i]);
  }
  // 将第二个参数转为整数
  int num;
  sscanf(argv[1], "%d", &num); // 或使用atoi(argv[1])
  printf("转换后的整数：%d\n", num);
  return 0;
}

（三）关键规则

1. 参数个数 ：argc ≥ 1，第一个参数argv[0]为程序路径（如./a.out）。
2. 数据类型 ：参数均为字符串，需手动转换为其他类型（如atoi、sscanf）。
3. 应用场景 ：传递配置参数、文件路径等（如cp source.txt dest.txt中source.txt和dest.txt为参数）。

九、扩展：可修改指向与内容的字符串数组

（一）实现条件

• 指针数组：必须使用指针数组（二维数组无法修改指针指向）。
• 非只读存储：字符串需存于可写区域（栈区或堆区）。

（二）示例代码

// 栈上可修改的字符串
char name1[] = "Faker"; // 栈上数组，内容可修改
char name2[] = "Uzi";
char *names[] = {name1, name2}; // 指针指向栈上数组

names[1][0] = 'u'; // 合法，修改栈上字符串内容
// names[0] = "Bin"; // 合法，但"Bin"是字面值，指向后内容不可修改

（三）注意事项

• 指向字面值时（如names[0] = "Bin"），内容不可修改；指向栈/堆区时，内容可修改。
• 堆区场景需手动管理内存（如malloc分配后释放）。

十、核心要点总结

1. 字符串数组本质：存储多个字符串的容器，可通过二维数组或指针数组实现。
2. 选择原则 ：
   • 只读、固定长度场景 → 二维字符数组。
   • 动态操作场景 → 字符指针数组。
3. 命令行参数 ：通过argc和argv获取，首个参数为程序路径，需手动转换数据类型。
4. 指针操作核心：理解指针指向与内存区域的可写性（只读数据段 vs 栈/堆区）。

十一、结构体类型定义

（一）基础语法

typedef struct 结构体本名 {
    成员类型1 成员名1;
    成员类型2 成员名2;
    // ...
} 结构体别名;

示例：

typedef struct student {
    int stu_id;       // 学号
    char name[25];    // 姓名（字符数组）
    char gender;      // 性别
    int score;        // 成绩
} Student; // 别名Student

（二）关键规则

1. 成员要求：至少包含1个成员，不允许空结构体。
2. 关键字使用 ：
   • 仅用本名声明对象时需加struct：struct student stu;。
   • 用别名声明时可省略struct：Student stu;（推荐使用别名）。
3. 自引用限制 ：

   • 成员可以是自身结构体指针（用于链表等数据结构）：

     typedef struct node {
         int data;
         struct node *next; // 必须用本名struct node
     } Node;

   • 禁止直接定义自身结构体对象成员：struct A { struct A a; };（非法）。

十二、结构体对象声明与初始化

（一）声明方式

场景	语法	示例
仅用本名声明	struct 结构体本名 对象名;	struct student stu;
用别名声明	结构体别名 对象名;	Student stu;
定义时初始化	结构体别名 对象名 = {值列表};	Student s = {1, "Faker", 'm', 100};

（二）初始化规则

• 聚合类型特性 ：与数组类似，使用{}按顺序初始化成员，未赋值成员默认零值。
• 字符串初始化 ：字符数组成员可用字符串字面值初始化（如"Faker"是{'F','a'...'\0'}的简写）。
• 全零初始化 ：Student s2 = {0};（所有成员初始化为0或'\0'）。

十三、结构体成员访问

（一）运算符

对象类型	运算符	语法	示例
结构体对象	.	对象名.成员名	s.name = "Uzi";
结构体指针	->	指针名->成员名	p->score = 90;

（二）底层等价性

指针->成员 等价于 (*指针).成员，因.优先级高于*，需显式加括号：

(*p).score = 90; // 与 p->score = 90; 等价

十四、结构体数据传递

（一）值传递（对象作为参数）

• 特点 ：函数接收结构体副本，修改不影响原始对象（类似int值传递）。

• 示例 ：

  void swap_struct(Student s1, Student s2) { // 值传递
      Student temp = s1;
      s1 = s2;
      s2 = temp; // 仅修改副本，原对象不变
  }

（二）指针传递（指针作为参数）

• 特点：函数接收结构体地址，可通过指针修改原始对象（类似数组传递）。

• 示例 ：

  void swap_struct_ptr(Student *p1, Student *p2) { // 指针传递
      Student temp = *p1;
      *p1 = *p2;
      *p2 = temp; // 修改原始对象
  }

（三）作为返回值

• 对象返回 ：返回结构体副本（类似int返回，不涉及原内存）。

  Student create_stu() {
      return (Student){2, "Clearlove", 'm', 85}; // 返回副本
  }

• 指针返回 ：禁止返回栈区结构体指针（会成为野指针），可返回堆区或静态区地址。

  Student* create_stu_static() { // 合法（静态区）
      static Student s = {3, "Bin", 'm', 95};
      return &s;
  }

十五、结构体与数组的区别

特性	结构体	数组
初始化方式	用{}按成员赋值	用{}按元素赋值
对象赋值	支持=（成员逐一拷贝）	禁止=（需逐个元素复制）
作为函数参数	值传递（副本）或指针传递	隐式转换为指针（传递首地址）
返回值支持	允许（返回副本或指针）	禁止（只能返回指针）
内存连续性	成员在内存中连续存储	元素在内存中连续存储

十六、枚举类型基础

（一）定义语法

typedef enum 枚举本名 {
    枚举值1, // 默认为0
    枚举值2, // 默认为1
    枚举值3 = 5 // 显式赋值为5，后续值依次+1
} 枚举别名;

示例：

typedef enum color {
    RED,     // 0
    GREEN,   // 1
    BLUE = 3 // 3，下一个枚举值YELLOW为4
} Color;

（二）核心特性

1. 本质 ：枚举值是编译时常量，底层为int类型，可直接使用整数赋值或传参。

   Color c = GREEN; // 等价于 c = 1
   func(2); // 合法，传入枚举值BLUE的底层值

2. 类型非安全 ：枚举类型与int可隐式转换，缺乏严格类型检查。

3. 取值规则 ：

   • 未显式赋值时，从0开始递增（如RED=0, GREEN=1）。
   • 显式赋值后，后续值依次加1（如BLUE=3，则YELLOW=4）。

十七、枚举类型优点

1. 语义化管理 ：用命名值代替魔数（如RED代替0），提高代码可读性。

2. 调试友好：保留枚举值命名信息，方便调试时识别状态。

3. 编译时常量 ：可用于数组长度、switch分支条件等场景：

   int arr[RED + 1]; // 合法，RED是编译时常量
   switch (c) {
       case RED: ... // 合法
   }

十八、结构体与枚举对比

维度	结构体	枚举
本质	自定义复合数据类型（含多成员）	给整数取别名的聚合类型
内存占用	各成员内存之和	等于底层整数类型大小（通常4字节）
类型安全	强类型（需通过成员访问）	弱类型（与int可隐式转换）
典型用途	存储复杂数据（如学生信息）	定义状态常量（如颜色、错误码）

十九、关键要点总结

1. 结构体设计原则 ：
   • 用typedef定义别名，简化对象声明。
   • 成员需避免直接包含自身结构体对象，允许包含自身指针（用于链表）。
2. 数据传递效率 ：
   • 大型结构体优先用指针传递（减少副本开销）。
   • 函数返回结构体时，返回指针需确保指向有效内存（堆/静态区）。
3. 枚举使用场景 ：
   • 替代宏常量，用于定义有限状态集合（如错误码、方向值）。
   • 利用编译时常量特性，简化switch分支或数组维度定义。

二十、C语言存储期限分类

（一）自动存储期限（栈区）

• 作用范围：函数内局部变量（包括形参）。
• 生命周期：函数调用时创建，结束时自动释放（与栈帧同生共死）。
• 特点：自动管理，无需手动释放；空间大小编译时确定，适合小数据。

（二）静态存储期限（数据段）

• 作用范围 ：全局变量、static修饰的局部变量、字符串字面值。
• 生命周期：程序启动时创建，结束时释放（贯穿整个程序）。
• 特点：数据持久化存储，可能导致数据安全隐患（如全局变量被意外修改）。

（三）动态存储期限（堆区）

• 作用范围 ：通过malloc/calloc/realloc申请的内存。
• 生命周期 ：手动调用free释放，否则程序结束时由系统回收。
• 特点：灵活管理，适合大数据或动态数据；需手动维护，易引发内存问题。

二十一、栈与堆内存对比

特性	栈内存	堆内存
管理方式	自动（栈指针移动）	手动（调用分配/释放函数）
空间大小	小（通常几KB到MB级）	大（受限于系统内存）
动态性	编译时确定大小	运行时动态分配
访问速度	快（寄存器直接操作）	慢（涉及系统调用和碎片化管理）
典型用途	局部变量、函数调用栈帧	大数据结构、动态数组、跨函数数据

二十二、通用指针void*

（一）核心特性

1. 类型无关性 ：可接收任意类型指针（如int*、char*），无需显式转换（C语言允许隐式转换，C++需强转）。

2. 解引用限制 ：不能直接解引用，需先转换为具体类型指针：

   int num = 100;
   void *p = #
   int val = *(int*)p; // 强转后解引用

3. 用途场景 ：

   • 作为函数参数，接收任意类型指针（如malloc返回值）。
   • 实现泛型数据结构（如链表存储不同类型数据）。

（二）注意事项

• 平台差异：GCC等严格编译器可能对隐式转换发出警告，建议显式强转。
• 空指针定义 ：NULL本质是(void*)0，表示无效地址。

二十三、动态内存分配函数

（一）malloc函数

void* malloc(size_t size); // 分配连续的`size`字节内存块

关键点：

1. 参数 ：size为所需字节数，需手动计算（如malloc(sizeof(int)*n)）。

2. 返回值 ：成功返回内存块首地址（void*），失败返回NULL。

3. 初始化 ：分配的内存未初始化，包含随机值（MSVC平台显示为0xCD）。

4. 错误处理 ：必须检查返回值，避免使用NULL指针：

   int *p = (int*)malloc(100);
   if (p == NULL) {
       perror("malloc failed");
       exit(1);
   }

（二）calloc函数

void* calloc(size_t num, size_t size); // 分配`num`个元素，每个`size`字节的内存块

关键点：

1. 初始化 ：自动将内存块清零（优于malloc的随机值）。

2. 参数计算 ：总字节数为num*size，适合初始化数组：

   int *arr = (int*)calloc(5, sizeof(int)); // 等价于malloc(20)并清零

（三）realloc函数

void* realloc(void* ptr, size_t new_size); // 调整已分配内存块的大小

关键点：

1. 内存迁移 ：

   • 若原内存块后有足够空间，直接扩展。
   • 否则分配新块，复制数据并释放旧块（原指针可能失效）。

2. 返回值 ：新内存块首地址，可能与原指针不同；若失败，返回NULL且原内存块保持不变。

3. 使用场景 ：动态调整数组大小：

   int *arr = (int*)malloc(5*sizeof(int));
   arr = (int*)realloc(arr, 10*sizeof(int)); // 扩展至10个元素

（四）free函数

void free(void *ptr); // 释放动态分配的内存块

关键点：

1. 参数要求 ：必须传入分配函数返回的原始指针，否则导致未定义行为（如free中途移动的指针）。

2. 野指针处理 ：释放后建议将指针置为NULL，避免二次释放或访问悬空指针：

   int *p = (int*)malloc(4);
   free(p);
   p = NULL; // 防止野指针

3. 多次释放 ：重复调用free同一指针会导致程序崩溃（double free错误）。

二十四、内存管理常见问题

（一）内存泄漏（Memory Leak）

• 定义：已分配的内存未释放且无法再访问，导致内存浪费。
• 场景 ：
  • 循环内分配内存但未释放。
  • 函数返回前未释放局部指针指向的堆内存。
• 后果：程序长期运行后内存不足，可能引发内存溢出。

（二）内存溢出（Memory Overflow）

• 定义：访问或分配超过内存块边界的空间，导致数据覆盖或系统崩溃。
• 场景 ：
  • 数组越界写入（如arr[10] = 100，但arr仅分配5个元素）。
  • 分配内存时计算错误（如malloc(n)实际需要n+1字节）。
• 后果：程序崩溃、数据损坏或安全漏洞（如缓冲区溢出攻击）。

二十五、内存管理最佳实践

1. 优先使用栈内存：小数据或确定大小的数据尽量用局部变量，避免堆分配开销。

2. 及时释放内存 ：

   • 遵循"谁分配，谁释放"原则，明确内存管理职责。
   • 在函数出口前检查是否有未释放的堆内存（如使用finally风格的代码结构）。

3. 避免野指针 ：

   • free后立即将指针置为NULL。
   • 操作指针前检查是否为NULL（如if (p != NULL) { ... }）。

4. 动态数组管理 ：

   • 使用realloc扩展数组时，先保存原指针，避免分配失败导致数据丢失：

     int *old_ptr = arr;
     arr = (int*)realloc(arr, new_size);
     if (arr == NULL) { // 分配失败，恢复原指针
         arr = old_ptr;
         perror("realloc failed");
     }

5. 调试工具 ：利用平台特性（如MSVC的0xCD/0xDD标记）或工具（如Valgrind）检测内存问题。

二十六、MSVC平台特殊优化

• 未初始化内存 ：malloc分配的内存填充为0xCD（表示"未初始化"）。
• 已释放内存 ：free后的内存填充为0xDD（表示"已释放"）。
• 未初始化栈变量 ：局部变量默认值为0xCC（防止使用随机值）。
• 作用：辅助开发者检测未初始化或非法访问内存的行为（非标准行为，仅MSVC有效）。

二十七、核心要点总结

1. 存储期限选择 ：
   • 短期小数据→栈区（自动变量）。
   • 持久化数据→数据段（全局/静态变量）。
   • 动态大数据→堆区（malloc/calloc/realloc）。
2. 指针操作原则 ：
   • 通用指针void*需强转后解引用。
   • 堆指针释放后必须置NULL。
3. 内存管理铁律 ：
   • 分配必检查（if (ptr == NULL)）。
   • 释放必配对（每个malloc对应一个free）。
   • 操作必合法（避免越界、野指针、重复释放）。
4. 性能权衡 ：
   • 栈内存优先，堆内存仅用于必要场景。
   • 大块内存使用calloc（自动清零），小块内存使用malloc（轻量高效）。