16-C语言：第17天笔记

C语言：第17天笔记

内容提要

• 指针
  • 二级指针
  • main函数原型
  • 常量指针与指针常量
  • 野指针、空指针、空悬指针
  • void与void*的区别
• 内存管理

指针

二级指针

定义

二级指针（多重指针）用于储存一级指针的地址，需要两次解引用才能访问原始数据。其他多重指针的用法类似，但实际开发中最常见的指针是二级指针。

int a = 10;    // a是普通变量，也就是原始数据
int *p = &a;   // 一级指针，p指向a，解引用1次就可以获取a的值
printf("%d\n", *p); // 10

int **w = &p;  // 二级指针，w指向p，解引用2次就可以获取a的值
printf("%d\n", **w);// 10
-----------------------------------------------------------------
int ***k = &w; // 三级指针，k指向w，解引用3次就可以获取a的值
printf("%d\n", ***k);  // 10   int a1 = ***k;  int *a2 = **k;  int **a3 = *k; int ***a4 = k;

语法

数据类型 **指针变量名 = 指针数组的数组名 | 一级指针的地址

特点

① 与指针数组的等效性 二级指针与指针数组在某些时候存在等效性，但与二维数组不等效。二维数组名是数组指针类型，如int (*)[3]，而非二级指针。

// 指针数组
int arr[] = {11,22,33};
int *arr_[] = {&arr[0],&arr[1],&arr[2]};

// 二级指针接收指针数组
char *str[3] = {"abc","aaa034","12a12"};
char **p = str;  // p：数组首地址，行地址，默认0行  *p：列地址，默认0行0列  **p：列元素

#include <stdio.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    // 字符串数组，字符类型的指针数组
    char *str[3] = {"abc","aaa034","12a12"};
    char **p = str;// str表示数组首地址，其实就是首元素地址  abc 这个字符串
    // p 存储的就是 abc的地址，指向的行，*p 访问到abc的列，默认首列  
    
    // char str[] = "hello";
    // printf("%s\n", str);
    // char str2[20];
    // scanf("%s", str2); // str2就是一个地址

    // 打印字符串
    // for (int i = 0; i < 3; i++)
    // {
    //    printf("%s\n", *p);
    //    p++;
    // }
    
    // 打印字符
    int i = 0;
    while(**p != '\0')
    {
        printf("%-2c",**p);
        (*p)++;
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

② 与二维数组的差异 二维数组名是数组指针类型，直接赋值给二级指针会导致类型不匹配

// 数组指针可以指向一个二维数组
int arr[2][3] = {{1,3,5},{11,33,55}};
int (*p)[3] = arr;  // 数组名默认代表首元素地址，在二维数组中，就是行地址

// 二级指针不等效二维数组
int **k = arr; // 编译报错 arr类型 int(*)[3]   不兼容 k类型 int**

解引用

① 字符型二级指针 可直接遍历字符串数组，类似一维数组操作：

#include <stdio.h>

void fun1()
{
    // 定义一个字符类型的指针数组（字符串数组）
    char *arr[] = {"orange","apple","grape","banana","kiwi"};
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); // int len = 5 * 8(指针) / 8(指针) = 5

    for (int i = 0; i < len; i++) printf("%s\n", arr[i]); printf("\n");

}

void fun2()
{
    char *arr[] = {"orange", "apple", "grape", "banana", "kiwi"};
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    // 此时二级指针完全等价于指针数组
    char **p = arr;  // p 指向 arr的首元素，也就是orange

    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        // printf("%s\n", p[i]);    // 下标法
        printf("%s\n", *(p + i));// 指针法
    }
    printf("\n");
}

void fun3()
{
    char *arr[] = {"orange","apple","grape","banana","kiwi"};

    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    char **p;

    int i = 0;

    // 遍历数组
    do
    {
        p = arr + i; // arr代表行，+i，此时是行偏移，返回的行地址   p指向字符串
        printf("%s\n", *p);// 对行地址解引用得到列地址   int a = 10; int *p = &a;
        i++;
    } while (i < len);

    printf("\n");
}

int main(int argc,char *argv[])
{
   
    fun1();
    fun2();
    fun3();

    return 0;
}

注意：如果需要一个字符串类型的数组，我们可以选择使用二级指针或者指针数组，此时两者完全等价。

② 其他类型的二级指针 需要两次解引用访问数据，常用于操作指针数组

#include <stdio.h>

int main()
{
	// 创建一个一维数组
	int arr1[] = {11,22,33,44,55,66}; // 11:0x11
	// 创建一个指针数组
	int *arr[] = {&arr1[0],&arr1[1],&arr1[2],&arr1[3],&arr1[4],&arr1[5]}; // [0]:0x22 --> 0x11
	
	// 用一个二级指针接收指针数组
	int **p = arr;  // p 指向 arr，p存储的arr第一个元素的地址
	
	// 遍历数组
	for(int i=0;i<sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);i++){
		printf("%-6d", *p[i]); // 下标法(1.指针偏移，2.对新指针解引用)
		printf("%-6d", **(p+i));// 指针法  p+i  元素地址偏移  元素地址，对元素地址解引用，返回元素值（11..对应的地址）
	}
	printf("\n");
}

总结

类型	本质	内存布局	等效性
二级指针（int**）	指向指针的指针	指针的指针	与指针数组等效
指针数组（int*[]）	元素为指针的数组	分散的指针	退化为二级指针
二维数组（int[][3]）	数组的数组	连续的数据块	数组指针（int(*)[3]）

main函数原型

定义

main函数有多种定义格式，main函数也是函数，函数相关的结论对main函数也有效。

main函数的完整写法：

 int main(int argc, char *argv[]){..}
 int main(int argc, char **argv){..}

扩展写法：

 main(){}  等价 int main(){}   // C11之后不再支持 缺省 返回类型
 int main(void){}   等价 int main(){}
 void main(void){}  等价 void main(){}
 int main(int a){}
 int main(int a, int b, int c){}
 ...

说明

① argc，argv是形参，他们俩可以修改

② main函数的扩展写法有些编译器不支持，编译报警告

③ argc和argv的常规写法

• argc：存储了参数的个数，默认是1个，也就是运行程序的名字
• argv：存储了所有参数的字符串形式

④ main函数是系统通过函数指针的回调调用。

演示

代码：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)  // {"abc","aaa"}   对行地址解引用，得到首列地址
{
	// 访问参数个数 argc
	printf("argc=%d\n", argc);
	
	// 遍历参数（每一个参数都是一个字符串常量）
	for(int i=0;i< argc; i++){
		printf("%s,%s\n", argv[i], *(argv+i));
	}
	printf("\n");
}

运行结果：

常量指针与指针常量

常量类型

① 字面量：直接使用固定值（如：12，hello，orange, 杨家辉三角），符号常量和枚举在编译器转换为了字面量

② 只读常量：用const修饰的变量，初始化之后不可修改。

const int a = 10;  // 只读常量
a = 21;  // 编译报错

常量指针

• 本质：指向常量数据的指针

• 语法：

  const 数据类型 *变量名;
  const 数据类型* 变量名;

• 举例：

  const int *p;   // p是常量指针

• 特性：

  • 指向对象的数据不可改变（int a = 10; const int *p = &a; *p = 20;，非法）
  • 指针本身的指向可以改变（int a = 10, b = 20; const int *p = &a; p = &b;，合法）

• 案例：

  #include <stdio.h>
  
  int main()
  {
  	int a = 10;        // 变量
  	const int *p = &a; // 常量指针
  	
  	// *p = 100;       // 错误，指针指向的数据不可改变
  	printf("%d\n", *p);// 10
  	
  	int b = 20;        // 变量
  	p = &b;            // 正确，指针指向可以改变
  	printf("%d\n", *p);// 20
  }

指针常量

• 本质：指针本身是常量，指向固定地址

• 语法：

  数据类型* const 变量名;
  数据类型 *const 变量名;

• 特性：

  • 指向对象的数据可以改变（int a = 10; int* const p = &a; *p = 20;，合法）
  • 指针本身的指向不可改变（int a = 10, b = 20; int* const p = &a; p = &b;，非法）

• 注意：

  定义时必须初始化：

  int a = 10;
  int* const p = &a;  // 正确

• 案例：

  #include <stdio.h>
  
  int main()
  {
  	int a = 10;        // 变量
  	int* const p = &a; // 指针常量
  	
  	*p = 100;          // 正确，指针指向的数据可以改变
  	printf("%d\n", *p);// 100
  	
  	int b = 20;        // 变量
  	// p = &b;            // 错误，指针指向不可改变
  	printf("%d\n", *p);// 100
  }

常量指针常量

• 本质：指针指向和指向对象的数据都不可改变

• 语法：

  const 数据类型* const 变量名;
  const 数据类型 *const 变量名;

• 举例：

  const int* const p;  // p是常量指针常量

• 特性：

  • 指向对象的数据不可改变（int a = 10; int* const p = &a; *p = 20;，非法）
  • 指针本身的指向不可改变（int a = 10, b = 20; int* const p = &a; p = &b;，非法）

• 注意：

  定义时需要初始化：

  int a = 10;
  const int *const p = &a; // 正确

  简单理解：不管是常量指针、指针常量还是常量指针常量，本质上都是一个赋值受到限制的指针变量。

总结对比

类型	语法	指向可变	数据可变
常量指针	const int *p	✔️	❌
指针常量	int *const p	❌	✔️
常量指针常量	const int *const p	❌	❌

关键点

1. const 在 * 左侧：修饰数据（常量指针）
2. const 在 * 右侧：修饰指针（指针常量）
3. 函数参数优先使用常量指针，提高代码安全性
4. 指针常量必须初始化，且不可重新指向

野指针、空指针、空悬指针

野指针

定义：

指向无效内存区域(比如未初始化、已释放或者越界访问)的指针称之为野指针。野指针会导致未定义（UB）行为。

危害：

• 访问野指针可能引发段错误（Segmentation Fault）
• 可能破坏关键内存数据，导致程序崩溃。

产生场景：

1. 指针变量未初始化

   int *p;    // p未初始化，是野指针
   printf("%d\n", *p); // 危险操作：p就是野指针

2. 指针指向已释放的内存

   int *p = malloc(sizeof(int)); // 在堆区申请1个int大小的内存空间，将该空间地址赋值给指针变量p
   free(p); // 释放指针p指向的空间内存
   printf("%d\n", *p); // 危险操作：p就是野指针

3. 返回局部变量的地址

   int* fun(int a, int b)
   {
       int sum = a + b; // sum就是一个局部变量
       return ∑  // 将局部变量的地址返回给主调函数
   }
   
   int main()
   {
       int *p = fun(2,3);
       printf("%d\n", *p); // 危险操作：p就是野指针
   }

如何避免野指针：

1. 初始化指针为NULL

2. 释放内存后立即置指针为NULL

3. 避免返回局部变量的地址

4. 使用前检查指针有效性（非空校验，边界检查）。

   int fun(int *pt)
   {
       int *p = pt;
       // 校验指针
       if(p == NULL) // 结果为假   等价于 if(!p)  其实底层： if(p == 0)
       {
           printf("错误！");
           return -1;
       }
       printf("%d\n", *p);
       return 0;
   }

空指针

**定义：**值为NULL的指针，指向地址0x000000000000（系统保留，不可访问）

**作用：**明确表示指针当前不指向有效内存，一般用作指针的初始化。

示例：

int *p = NULL;  // 初始化为空指针

free(p);   // 释放后置空
p = NULL;

空悬指针

**定义：**指针指向的内存已经被释放，但未重新赋值。空悬指针是野指针的一种特例。

示例：

char *p = malloc(100); // 在堆区分配100个char的空间给p
free(p); // 释放指针p指向的内存空间
printf("%p,%d\n", p, *p); // p可以正常输出，*p此时属于危险操作 
// p指向的内存空间被回收，但是p指向空间的地址依然保留，此时这个指针被称作空悬指针

void与void*的区别

定义

• void： 表示"无类型/空类型"，用于函数返回类型或者参数。

  void func(void);    // 没有返回值也没有参数，一般简写：void func();

• *void ：**通用指针类型（万能指针），可指向任意类型数据，但需要强制类型转换后才能解引用。

  void* ptr = malloc(4);  // ptr指向4个字节大小的堆内存空间  
  // 存放int类型数据
  int *p = (int*)ptr;
  *p = 10;
  
  // 存放float类型数据
  float* p1 = (float*)ptr;
  *p = 12.5f;
  
  // 存放char类型数组
  char* p2 = (char*)ptr;
  
  // 以下写法完全错误
  float* ptr = malloc(4);
  int *p = (int*)ptr;  // 此时编译报错，类型不兼容 float* int*

  注意：只能是具体的类型（int*,double*,float*,char*...）和void*之间转换

注意事项

• void不能直接解引用（*ptr 会报错）
• 函数返回void*需要外部接收的时候明确类型（不明确类型，就无法解引用）

示例

#include <stdio.h>

/**
 * 定义一个返回类型为void*类型的指针函数
 */
void* proces_data(void* p)
{
	return p;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	// int类型
	int m = 10;
	int* p_int = &m;
	
	int* result_int = (int*)proces_data(p_int);
	printf("Integer value：%d\n", *result_int);
	
	// double类型
	double pi = 3.1415926;
	double* p_double = &pi;
	
	double* result_double = (double*)proces_data(p_double);
	printf("Double value：%lf\n", *result_double);
	
	// void* p_void = proces_data(p_double);
	// printf("Void value：%lf\n", *p_void);
	// *p_void = 20;
	
	// 注意：void* 修饰的指针是可以进行赋值操作的，但是不能对其解引用
	
	return 0;
}

内存管理【扩展资料】

C进程内存布局

任何一个程序，正常运行都需要内存资源，用来存放诸如变量、常量、函数代码等等。这些不同的内容，所存储的内存区域是不同的，且不同的区域有不同的特性。因此我们需要研究C语言进程的内存布局，逐个了解不同内存区域的特性。

每个C语言进程都拥有一片结构相同的虚拟内存，所谓的虚拟内存，就是从实际物理内存映射出来的地址规范范围，最重要的特征是所有的虚拟内存布局都是相同的，极大地方便内核管理不同的进程。例如三个完全不相干的进程p1、p2、p3，它们很显然会占据不同区段的物理内存，但经过系统的变换和映射，它们的虚拟内存的布局是完全一样的。

• PM：Physical Memory，物理内存。
• VM：Virtual Memory，虚拟内存。

将其中一个C语言含如进程的虚拟内存放大来看，会发现其内部包下区域：

• 栈（stack）
• 堆（heap）
• 数据段
• 代码段

虚拟内存中，内核区段对于应用程序而言是禁闭的，它们用于存放操作系统的关键性代码，另外由于 Linux 系统的历史性原因，在虚拟内存的最底端 0x00000000 ~ 0x08048000 之间也有一段禁闭的区段，该区段也是不可访问的。

虚拟内存中各个区段的详细内容:

栈内存

• 什么东西存储在栈内存中？
  • 环境变量
  • 命令行参数
  • 局部变量（包括形参）
• 栈内存有什么特点？
  • 空间有限，尤其在嵌入式环境下。因此不可以用来存储尺寸太大的变量。
  • 每当一个函数被调用，栈就会向下增长一段，用以存储该函数的局部变量。
  • 每当一个函数退出，栈就会向上缩减一段，将该函数的局部变量所占内存归还给系统。
• 注意： 栈内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。

• 示例代码：

void func(int a, int *p) // 在函数 func 的栈内存中分配
{
    double f1, f2;        // 在函数 func 的栈内存中分配
    ...                   // 退出函数 func 时，系统的栈向上缩减，释放内存
}

int main(void)
{
    int m  = 100;  // 在函数 main 的栈内存中分配
    func(m, &m);  // 调用func时，系统的栈内存向下增长
}

静态数据

C语言中，静态数据有两种：

• 全局变量：定义在函数外部的变量。
• 静态局部变量：定义在函数内部，且被static修饰的变量。
• 示例：

int a; // 全局变量，退出整个程序之前不会释放
void f(void)
{
    static int b; // 静态局部变量，退出整个程序之前不会释放
    printf("%d\n", b);
    b++;
}

int main(void)
{
    f();
    f(); // 重复调用函数 f()，会使静态局部变量 b 的值不断增大
}

• 为什么需要静态数据？

1. 全局变量在默认的情况下，对所有文件可见，为某些需要在各个不同文件和函数间访问的数据提供操作上的方便。
2. 当我们希望一个函数退出后依然能保留局部变量的值，以便于下次调用时还能用时，静态局部变量可帮助实现这样的功能。

• 注意1：
  • 若定义时未初始化，则系统会将所有的静态数据自动初始化为0
  • 静态数据初始化语句，只会执行一遍。
  • 静态数据从程序开始运行时便已存在，直到程序退出时才释放。
• 注意2：
  • static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据。
  • static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见的静态数据。
  • static修饰函数：使之由各文件可见的函数，变成了本文件可见的静态函数。

数据段与代码段

• 数据段细分成如下几个区域：
  • .bss 段：存放未初始化的静态数据，它们将被系统自动初始化为0
  • .data段：存放已初始化的静态数据
  • .rodata段：存放常量数据
• 代码段细分成如下几个区域：
  • .text段：存放用户代码
  • .init段：存放系统初始化代码

int a;       // 未初始化的全局变量，放置在.bss 中
int b = 100; // 已初始化的全局变量，放置在.data 中

int main(void)
{
    static int c;       // 未初始化的静态局部变量，放置在.bss 中
    static int d = 200; // 已初始化的静态局部变量，放置在.data 中
    
    // 以上代码中的常量100、200防止在.rodata 中
}

• 注意：数据段和代码段内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。

堆内存

堆内存（heap）又被称为动态内存、自由内存，简称堆。堆是唯一可被开发者自定义的区段，开发者可以根据需要申请内存的大小、决定使用的时间长短等。但又由于这是一块系统"飞地"，所有的细节均由开发者自己把握，系统不对此做任何干预，给予开发者绝对的"自由"，但也正因如此，对开发者的内存管理提出了很高的要求。对堆内存的合理使用，几乎是软件开发中的一个永恒的话题。

• 堆内存基本特征：
  • 相比栈内存，堆的总大小仅受限于物理内存，在物理内存允许的范围内，系统对堆内存的申请不做限制。
  • 相比栈内存，堆内存从下往上增长。
  • 堆内存是匿名的，只能由指针来访问。
  • 自定义分配的堆内存，除非开发者主动释放，否则永不释放，直到程序退出。

• 相关API：
  • 申请堆内存：malloc() / calloc() int *p = malloc(4);
  • 清零堆内存：bzero()
  • 释放堆内存：free()

• 示例：

int *p = malloc(sizeof(int)); // 申请1块大小为 sizeof(int) 的堆内存
bzero(p, sizeof(int));        // 将刚申请的堆内存清零

*p = 100; // 将整型数据 100 放入堆内存中
free(p);  // 释放堆内存

// 申请3块连续的大小为 sizeof(double) 的堆内存
double *k = calloc(3, sizeof(double));

k[0] = 0.618;
k[1] = 2.718;
k[2] = 3.142;
free(k);  // 释放堆内存  

• 注意：
  • malloc()申请的堆内存，默认情况下是随机值，一般需要用 bzero() 来清零。
  • calloc()申请的堆内存，默认情况下是已经清零了的，不需要再清零。
  • free()只能释放堆内存，并且只能释放整块堆内存，不能释放别的区段的内存或者释放一部分堆内存。
• 释放内存的含义：
  • 释放内存意味着将内存的使用权归还给系统。
  • 释放内存并不会改变指针的指向。
  • 释放内存并不会对内存做任何修改，更不会将内存清零。