C语言高阶技术点详解：深入探索指针与内存管理
1. 指针的基本概念与操作
1.1 指针的定义与声明
指针是C语言中一个核心概念，它存储了变量的地址。指针的声明格式为：
类型 *指针变量名;
例如，声明一个整型指针：
int *p;
1.2 指针的赋值与解引用
指针可以通过取地址运算符&获取变量的地址，通过解引用运算符*获取地址所指向的值。
int var = 5;
int *p = &var; // 获取var的地址
printf("%d\n", *p); // 输出var的值
1.3 指针的运算
指针可以进行加减运算，但其结果依赖于指针指向的数据类型的大小。
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
printf("%d ", *(p + i)); // 输出数组元素
}
2. 指针与数组
2.1 数组名作为指针
数组名在大多数情况下可以被看作是一个指向数组首元素的指针。
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;
printf("%d\n", *p); // 输出1
2.2 指针与多维数组
多维数组在内存中是连续存储的，指针可以通过适当的运算访问多维数组的元素。
int arr[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
int (*p)[3] = arr;
for (int i = 0; i < 2; i++) {
for (int j = 0; j < 3; j++) {
printf("%d ", p[i][j]); // 输出数组元素
}
printf("\n");
}
3. 动态内存管理
3.1 动态内存分配函数
C语言提供了几个动态内存分配函数：malloc, calloc, realloc和free。
- malloc：分配指定大小的内存块。
- calloc：分配并初始化为0的内存块。
- realloc：重新分配内存块的大小。
- free：释放之前分配的内存。
int *p = malloc(5 * sizeof(int));
if (p != NULL) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
p[i] = i + 1;
}
}
free(p);
3.2 常见的内存管理错误
- 内存泄漏：分配内存后未释放。
- 双重释放：多次释放同一块内存。
- 使用已释放的内存：释放内存后未置NULL，再次使用。
4. 函数指针与回调函数
4.1 函数指针
函数指针指向函数而非数据，可以用于调用函数、传递函数作为参数或作为函数的返回值。
void print(int a) {
printf("%d\n", a);
}
int main() {
void (*func)(int) = print;
func(5); // 调用print函数
return 0;
}
4.2 回调函数
回调函数是一种通过函数指针调用的函数，常用于事件处理、排序等场景。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void bubble_sort(int *arr, int len, int (*compare)(int, int)) {
for (int i = 0; i < len - 1; i++) {
for (int j = 0; j < len - i - 1; j++) {
if (compare(arr[j], arr[j + 1])) {
int temp = arr[j];
arr[j] = arr[j + 1];
arr[j + 1] = temp;
}
}
}
}
int ascending(int a, int b) {
return a > b;
}
int descending(int a, int b) {
return a < b;
}
int main() { int arr[] = {5, 3, 8, 1, 2};
int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
bubble_sort(arr, len, ascending);
printf("Ascending order: ");
for (int i = 0; i < len; i++) {
printf("%d ", arr[i]);
}
printf("\n");
bubble_sort(arr, len, descending);
printf("Descending order: ");
for (int i = 0; i < len; i++) {
printf("%d ", arr[i]);
}
printf("\n");
return 0;
}
在这个例子中，bubble_sort函数接受一个整数数组、数组长度和一个比较函数作为参数。比较函数用于确定排序的顺序。ascending和descending函数分别用于升序和降序排序。通过传递不同的比较函数，bubble_sort函数可以以不同的顺序对数组进行排序。
5. 指针与结构体
结构体是C语言中一种用户自定义的数据类型，它可以包含多个不同类型的数据项。指针可以用来访问和操作结构体成员。
5.1 结构体指针
结构体指针指向结构体变量的内存地址，可以通过箭头操作符->访问结构体成员。
#include <stdio.h>
typedef struct {
char *name;
int age;
} Person;
int main() {
Person person = {"Alice", 30};
Person *p = &person;
printf("Name: %s, Age: %d\n", p->name, p->age);
return 0;
}
5.2 结构体数组与指针
结构体数组中的每个元素都是一个结构体变量，可以通过指针和数组下标访问数组中的结构体元素。
#include <stdio.h>
typedef struct {
char *name;
int age;
} Person;
int main() {
Person people[2] = {{"Alice", 30}, {"Bob", 25}};
Person *p = people;
for (int i = 0; i < 2; i++) {
printf("Name: %s, Age: %d\n", (p + i)->name, (p + i)->age);
}
return 0;
}
6. 指针与字符串
在C语言中，字符串是通过字符数组实现的，指针可以用来操作和处理字符串。
6.1 字符串指针
字符串指针指向字符串的第一个字符，可以通过指针算术运算遍历字符串。
#include <stdio.h>
int main() {
char *str = "Hello, World!";
for (int i = 0; str[i] != '\0'; i++) {
printf("%c", str[i]);
}
printf("\n");
return 0;
}
6.2 字符串函数与指针
C语言标准库提供了一系列字符串处理函数，如strcpy, strcat, strcmp等，这些函数通常接受字符串指针作为参数。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char str1[20] = "Hello";
char str2[] = ", World!";
strcat(str1, str2);
printf("%s\n", str1);
return 0;
}
在这个例子中，strcat函数将str2字符串连接到str1字符串的末尾。