C语言进阶－第四讲存储器与指针

1 www.cnasic.comwww.cnasic.com 第四讲第四讲 存储器与指针存储器与指针 （（Memory & PointerMemory & Pointer）） 凌 明 trio@seu.edu.cn 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心 www.cnasic.comwww.cnasic.com 目 录 存储器，还是存储器！ 内存陷阱！ 动态内存分配算法 动态内存分配代码讲解 2 www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.1 指针的基本概念 2.1.1 指针是什么？ 指针是一个变量，它的值是另外一个变量的地址。 例1 2.1.2 指针的类型 指针所存储的那个变量类型，就称为指针的类型。 例 2 有三个不同类型的指针： int I[2], *pI = &I[0]; 右边的三个运算有何不同？ pI++; char C[2], *pC = &C[0]; pC++; float F[2], *pF = &F[0]; pF++; 0x00C7 指针变量 int *p 0x00C7 变量 int a 上面例中的两个0x00C7有什么区别？ www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.1.3 指针的三个要素 1. 指针指向的地址（指针的内容）； 2. 指针指向的地址上的内容； 3. 指针本身的地址。 例 3： int A, *pA, **ppA; pA = &A; ppA = &pA; 在复杂的指针都可以通过下表来分析： &ppA ppA *ppA **ppA &pA pA *pA &A A 3 www.cnasic.comwww.cnasic.com 第二章 指针 2.1.4 指针的大小（指针变量占用的内存空间） 与所用的CPU寻址空间大小和类型有关，而与指针类型无关。 8位CPU的指针长度为1~2个字节（51单片机的情况较为复杂，是1~3个字节）； 16位CPU的指针长度为2个字节（如MSP430）； 32位CPU的指针长度为4个字节（如Intel 80386）。 上面所述是通常情况，并不是全部符合。 2.1.5 指针的初始化 变量在没有赋值之前，其值不定的。对于指针变量，可以表述为：指向不明。 程序访问了一个没 有初始化的指针： int* p; p 的内存是随机的 一个数，比如： 0x3FF0073D 程序随即访问内存 地址： 0x3FF0073D 0x3FF0073D 是哪里的内存？说不定正好是 Windows老大要用的内存，你竟敢访问！ Windows一生气，蓝屏。 一个指向不明的指 针，是非常危险的!!! 因此，指针在使用前一定要初始化；在使用前一定要确定指针是非空的！！！ www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.2 数组与指针 对于数组的两个概念： 1. C语言中只有一维数组，数组的大小必须在编译时作为一个常数确定下来。 数组的元素可以是任何类型，甚至是数组，由此可以方便地得到多维数组； 2. 数组的任何操作，即使采用数组下标进行的运算都等于对应的指针运算。 可以用指针行为替代数组下标的运算。 例4 : int a[4], *p; p = a; //等价于 p =&a[0]; *(a+2) = 0; //等价于 a[2] = 0; p[2] = 0; //等价于 a[2] = 0; 4 www.cnasic.comwww.cnasic.com 但数组不同于指针： 数组名 a是指向数组起始位置的“常量”。 因此，不能对数组名进行赋值操作。 例 5： int a[4], *p; p = a; //正确 a = p; //错误 p++; //正确 a++; //错误 第二章 指针 www.cnasic.comwww.cnasic.com 第二章 指针 2.3 空指针与通用指针 (1). 空指针 是个特殊指针值，也是唯一对任何指针类型都合法的指针值。一个指针变量具有 空指针值，表示它当时没指向有意义的东西，处于闲置状态。空指针值用0 表 示，这个值绝不会是任何程序对象的地址。给一个指针赋值0 就表示要它不指向 任何有意义的东西。为了提高程序的可读性，标准库定义了一个与0 等价的符号 常量NULL，程序里可以写： p = NULL; //注意不要与空字符NUL混淆，NUL等价于‘\0’ 或者： p = 0; 注意： 在编程时，应该将处于闲置的指针赋为空指针； 在调用指针前一定要判断是否为空指针，只有在非空情况下才能调用。 5 www.cnasic.comwww.cnasic.com (2).通用指针 通用指针可以指向任何类型的变量。通用指针的类型用(void *)表示，因此也称为 void 指针。 下面的第三行定义了两个通用指针： int n, *p; double *q; void *gp1, *gp2; 可以直接把任何变量的地址赋给通用指针。 例如，有了上面定义，下面赋值是合法的： gp1 = (void *) &n; 可以把通用指针的值赋给普通的指针。如果被赋值指针与通用指针所指变量的类 型不符，需要写强制转换： p = (int *)gp1; 第二章 指针 www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.4 函数指针 2.4.1 函数指针的定义 函数指针即指向函数地址的指针。利用该指针可以知道函数在内存中的位置。因 此也可以利用函数指针调用函数。 函数指针的定义方法： <类型> (* <函数指针名>)(......) 例如： int (*func)(void ) 这里，func就是一个函数指针。 注意：int *func(void)和int (*func)(void)的区别 int *func(void); //这是返回一个整型指针的函数 int (*func)(void)； //这是一个函数指针 6 www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.4.2 函数指针的使用 例6 ：假定有下面的函数声明 int ptr； int fn(int); int (*fp)(int); 指出下面的语句是否合法？，为什么？。 fp = fn; //正确，将函数fn的地址赋给fp fp = fn(5); //错误，返回给fp的结果不是一个函数地址。 fp = &ptr； // 错误，ptr的地址不在程序代码区，两种数据类型不能转换。 从上面的例子可以看出： （1）不能将普通变量的地址赋给函数指针； （2）不能将函数的调用赋给函数指针 （3）可以将函数名赋给一个函数指针 www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.4.2 函数指针的用途 一旦函数可以通过指针被传递、被记录，这开启了许多应用，特别是下列三 者： 1. 多态 (polymorphism)：指用一个名字定义不同的函数，这函数执行不同但 又类似的操作，从而实现“一个接口，多种方法”。 2. 多线程 (multithreading)：将函数指针传进负责建立多线程的 API 中：例如 Win32 的 CreateThread(...pF...)。 3. 回调 (call-back)：所谓的回调机制就是：「当发生某事件时，自动呼叫某 段程序代码」。事件驱动 (event-driven) 的系统经常透过函数指针来实现 回调机制，例如Win32 的WinProc 其实就是一种回调，用来处理窗口的 讯息。 7 www.cnasic.comwww.cnasic.com 2.4.3 函数指针数组 例7 ：在一个计算器的例子中，有如下一些语句： switch(oper){ case ADD: result=add(op1,op2); break; case SUB: result=sub(op1,op2); break; ... } 对于一个复杂的计算器，switch语句将非常长。我们可以用函数指针数组来完成。 double add(double,double); double sub(double,double); ... double (*oper_func[])(double,double)={add,sub,...}; 第2个步骤是用下面语句替换前面整条switch语句： result=oper_func[oper](op1,op2); oper从数组中选择正确的函数指针，而函数调用操作符将执行这个函数。 www.cnasic.comwww.cnasic.com ASIX Window中的函数指针 typedef struct window_class { U8 wndclass_id; STATUS (*create)(char *caption, U32 style, U16 x, U16 y, U16 width, U16 hight, U32 wndid, U32 menu, void **ctrl_str, void *exdata); STATUS (*destroy)(void *ctrl_str); STATUS (*msg_proc)( U32 win_id, U16 asix_msg, U32 lparam, void *data, U16 wparam, void *reserved); STATUS (*msg_trans)(void *ctrl_str, U16 msg_type, U32 areaId, P_U16 data, U32 size, PMSG trans_msg); STATUS (*repaint)(void *ctrl_str, U32 lparam); STATUS (*move)(void *ctrl_str, U16 x, U16 y, U16 width, U16 hight, void *reserved); STATUS (*enable)(void *ctrl_str, U8 enable); STATUS (*caption)(void *ctrl_str, char *caption, void *exdata); STATUS (*information)(void *ctrl_str, struct asix_window *wndinfo); } WNDCLASS; 8 www.cnasic.comwww.cnasic.com ASIX Window中的函数指针 WNDCLASS WindowClass[] = { {WNDCLASS_WIN, wn_create, wn_destroy, wn_msgproc,wn_msgtrans, wn_repaint, NULL,NULL,wn_caption, NULL}, {WNDCLASS_BUTTON,Btn_create,Btn_destroy,Btn_msg_proc,Btn_msg_trans,Btn_repaint,NULL,Btn_enable,Btn_caption, NULL}, {WNDCLASS_SELECT,sl_create, sl_destroy, sl_msg_proc, sl_msg_trans, sl_repaint,NULL, sl_enable, sl_caption, NULL}, {WNDCLASS_SELECTCARD,NULL, NULL,NULL,NULL,NULL,NULL,NULL,NULL,NULL}, {WNDCLASS_MENU,menu_create, menu_destroy, menu_msgproc, menu_msgtrans, mn_repaint, NULL, NULL,NULL,NULL}, {WNDCLASS_LIST, Lbox_create, Lbox_destroy, Lbox_msgproc, Lbox_msgtrans, lb_repaint, NULL, NULL,NULL,NULL}, {WNDCLASS_KEYBD, kbd_create,kbd_destroy, kbd_msgproc, kbd_msgtrans, kbd_repaint, NULL, NULL,NULL,NULL}, {WNDCLASS_SCROLL,sb_create, sb_destroy, sb_msgproc, sb_msgtrans, sb_repaint, NULL,sb_enable, NULL,NULL}, {WNDCLASS_KEYBAR,kb_create, kb_destroy, kb_msgproc, kb_msgtrans,NULL,NULL, NULL,NULL, NULL}, #ifdef ASIX_DEBUG {WNDCLASS_TEST,tst_create, tst_destroy, tst_msgproc, tst_msgtrans, NULL,NULL,NULL,NULL,NULL} #endif }; www.cnasic.comwww.cnasic.com 内存陷阱！内存陷阱！ 9 www.cnasic.comwww.cnasic.com 看看这段代码有什么问题？ char *DoSomething(…) { char i[32*1024]; memset(i,0,32*1024); … return i; {两个重大问题：两个重大问题： 11，临时变量是通过堆栈实现的，太大的临时变量数组会冲掉堆栈，临时变量是通过堆栈实现的，太大的临时变量数组会冲掉堆栈 22，返回堆栈中的地址是非常危险的，因为堆栈中的值永远是不确定的，返回堆栈中的地址是非常危险的，因为堆栈中的值永远是不确定的 www.cnasic.comwww.cnasic.com 看看这段代码有什么问题？ void DoSomething(…) { int i; int j; int k; memset(&k,0,3*sizeof(int) ); … { 这段代码的作用是将这段代码的作用是将33个临时变量清零个临时变量清零 但是这段代码有两个假设：但是这段代码有两个假设： 11，编译器将，编译器将I,j,kI,j,k三个变量通过堆栈表示三个变量通过堆栈表示 22，压栈顺序是，压栈顺序是 I, j , k (I, j , k (假设堆栈是满递减堆栈假设堆栈是满递减堆栈)) 33，如果，如果KK在寄存器怎么办？对在寄存器怎么办？对KK取地址操作将产生取地址操作将产生Data Data AboartAboart 10 www.cnasic.comwww.cnasic.com 关于临时变量 不要对临时变量作取地址操作，因为你不知道编译器是否 将这个变量映射到了寄存器 不要返回临时变量的地址，或临时指针变量,因为堆栈中 的内容是不确定的（出了这个函数，存放在堆栈中的局部 变量就没有意义了！） 不要在申请大的临时变量数组，你的临时变量是在堆栈中 实现的，你有多大的堆栈呢？ www.cnasic.comwww.cnasic.com 问题？ 现在要为一个矩形区域申请一块内存保存 这块的数据，如果每个Pixle占用2个bit，如 何分配内存？ Char *buffer; buffer = malloc (x*y/4); Buffer = Buffer = malloc(xmalloc(x*y/4 + 1);*y/4 + 1); 11 www.cnasic.comwww.cnasic.com 看看这段代码有什么问题？ char *DoSomething(…) { char *p, *q; if ( (p = malloc(1024)) == NULL ) return NULL; if ( (q = malloc(2048)) == NULL ) return NULL; … return p; { 如果如果qq没有申请到，首先应该释放没有申请到，首先应该释放pp，然后再返回，然后再返回NULLNULL！！ www.cnasic.comwww.cnasic.com 看看这段代码有什么问题？ void FreeWindowsTree(windows *Root) { if(Root != NULL) { window *pwnd; /* 释放pwndRoot的子窗口.. */ for(pwnd = Root->Child;pwnd != NULL;pwnd = pwnd->Sibling) FreeWindowTree(pwnd); if(Root->strWndTitle != NULL) FreeMemory(Root->strWndTitle); FreeMemory(Root); } } PwndPwnd已经被释放了，但是在已经被释放了，但是在forfor循环中被再次引用循环中被再次引用 12 www.cnasic.comwww.cnasic.com 关于动态内存 总是检查动态内存分配是否成功后再引用 该指针！ 在分配struct空间是总是使用sizeof 分配内存时宁滥勿缺（别忘了加一） 总是Free由malloc()函数返回的指针 按照ANSI C 标准Free函数是没有返回值的 错误处理时不要忘了其他已分配空间的释 放 www.cnasic.comwww.cnasic.com 动态内存分配算法动态内存分配算法 13 www.cnasic.comwww.cnasic.com 问题的提出 按照调用者的要求分配合适大小的Mem， 返回该内存块的首指针。 如果没有足够的内存返回空指针。 用户不再使用该内存时可以调用Free函数 释放该内存块 快速分配算法并尽量减少内存碎片的情况 www.cnasic.comwww.cnasic.com ptr Size＝1 为了方便管理，我们将内存按照为了方便管理，我们将内存按照88个字节进行组织－分配块个字节进行组织－分配块 每个分配块包含两个部分：每个分配块包含两个部分：FreeFree链表指针和本块的大小链表指针和本块的大小 ptr Size＝7 BASEBASEAllocpAllocp FirstFirst 分配16个字节 ptr Size＝1 ptr Size＝4 ptr Size＝3 用 户 空 间 BASEBASEAllocpAllocp FirstFirst 返回的 指针 Ptr指向自己 用于Free函数 的校验 14 www.cnasic.comwww.cnasic.com ptr Size＝1 ptr Size＝4 ptr Size＝2 ptr Size=3 AllocpAllocp FirstFirst 用户 指针 释放 ptr Size＝1 ptr Size＝4 ptr Size＝5 ptr Size＝1 ptr Size＝9 再合并 www.cnasic.comwww.cnasic.com 分配和释放策略 通过分配块为单位简化管理，并使得内存 块更规整，便于以后的合并操作 总是在空闲块的高端地址分配内存，减少 内存碎片 通过ptr指针实现空闲块链表，对于已分配 内存块使用该指针作为校验 释放内存块的时候进行空闲块合并操作 15 www.cnasic.comwww.cnasic.com 动态内存分配代码讲解动态内存分配代码讲解 www.cnasic.comwww.cnasic.com 头部的定义（分配块） union header { struct { union header *ptr; unsigned long size; } s; char c[8];// For debugging; also ensure size is 8 bytes }; typedef union header HEADER; 16 www.cnasic.comwww.cnasic.com 为了方便大家理解的头部 struct sheader { struct sheader *ptr; unsigned long size; }; www.cnasic.comwww.cnasic.com 两个宏定义 #define ABLKSIZE (sizeof (HEADER)) /*将用户申请字节数转换成为分配块＋1*/ #define BTOU(nb) ((((nb) + ABLKSIZE - 1) / ABLKSIZE) + 1) 17 www.cnasic.comwww.cnasic.com 代码的分析代码的分析 范例代码已在VC＋＋编译通过， Just Try It！