💖💖⚡️⚡️专栏：C编程入门-轻松入门/系统总结⚡️⚡️💖💖
[C编程入门] 专为C语言初学者设计，提供轻松易懂的入门教程与系统的知识总结。本专栏将带你从零开始，循序渐进地掌握C语言的核心概念与编程技巧。无论你是完全没有编程背景的学生，还是希望系统学习C语言的自学者，这里都有丰富的示例和详尽的解释，帮助你打下坚实的编程基础，轻松迈入程序设计的世界。通过本专栏的学习，你将能够自信地运用C语言解决问题，并为进一步的技术提升铺平道路。
4.1 指针基础
指针是一种特殊的变量，它存储的是另一个变量的地址。
4.1.1 定义和使用指针
指针是一种变量，它的值是另一个变量的内存地址。通过指针，我们可以间接访问和修改变量的值。
// 定义一个指向整数的指针
int *p;
// 分配内存
int *q = (int *)malloc(sizeof(int));
// 初始化指针
*p = 42;
*q = 50;
-
语法：
type *pointerName; -
示例：
int *p; int *q = (int *)malloc(sizeof(int)); -
定义指针：
- 指针变量的类型决定了它能指向哪种类型的变量。
- 指针名称前面的星号
*表示这是一个指针。 - 指针可以指向不同类型的数据，如整数、字符、结构体等。
- 在定义指针时，星号
*必须放在类型说明符的前面。 - 指针本身是一个变量，需要初始化或分配内存。
- 指针可以指向全局变量、局部变量、静态变量等不同类型的变量。
- 指针也可以指向动态分配的内存，这将在内存管理部分详细介绍。
- 指针可以指向不同类型的变量，但类型需要兼容，例如，一个指向整数的指针不能直接指向一个字符型变量。
-
分配内存：
- 使用
malloc函数分配内存给指针指向的变量。 malloc函数需要指定所需内存的大小，通常是通过sizeof操作符来确定。- 分配的内存需要显式地使用
free函数释放，以避免内存泄漏。 malloc函数返回一个指向分配的内存块的指针，类型需要强制转换为所需的类型。- 如果
malloc分配内存失败，它将返回NULL，此时程序应检查返回值并采取适当的措施。 - 动态分配的内存通常用于未知大小的数据结构，如动态数组、链表等。
- 动态分配的内存未经初始化，因此需要手动初始化。
- 动态分配内存时，需要确保分配的内存足够大，以避免后续使用过程中出现溢出或未定义行为。
- 使用
-
初始化指针：
- 指针可以指向一个已存在的变量，或者指向动态分配的内存。
- 指针也可以被初始化为空指针
NULL，表示它不指向任何地址。 - 对于指向已存在变量的指针，可以通过取址运算符
&来获取变量的地址。 - 对于指向动态分配内存的指针，可以直接使用
malloc函数返回的指针。 - 指针初始化时，如果指向的是已存在的变量，需要确保该变量已经被正确声明。
- 指针初始化为空指针
NULL是一种良好的编程习惯，可以避免野指针问题。 - 初始化指针时，如果指向的是动态分配的内存，需要确保内存已经正确分配。
4.1.2 指针运算
指针支持一些特殊的运算，如加减运算、比较等。
// 指针算术
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;
// 移动指针
p++;
// 指针减法
int diff = p - arr;
// 指针比较
if (p == arr + 1) {
printf("p points to the second element.\n");
}
-
语法：
pointerName++; // 指针加1 pointerName--; // 指针减1 pointerName + n; // 指针加n pointerName - n; // 指针减n pointer1 - pointer2; // 指针差 pointer1 == pointer2; // 指针比较 -
示例：
int *p = arr; p++; int diff = p - arr; if (p == arr + 1) { printf("p points to the second element.\n"); } -
指针算术：
- 指针可以进行加减运算，以移动指针指向的位置。
- 指针加减整数时，指针会按照所指类型的大小移动相应的字节数。
- 可以通过指针差来计算两个指针之间的元素数目。
- 指针可以进行比较，以判断它们是否指向相同的地址。
- 指针算术操作对于数组非常有用，可以用来遍历数组中的元素。
- 指针算术需要确保不会越界，即指针不能超出数组的边界。
- 指针算术还可以用于处理复杂的数据结构，如链表、树等。
- 指针算术可以用来实现数组的高效访问，如快速移动指针到特定元素。
4.1.3 指针和数组
指针和数组有着密切的关系，指针可以指向数组的元素。
// 指针和数组
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;
// 访问数组元素
printf("%d\n", *p); // 访问第一个元素
-
语法：
type arrayName[arraySize]; type *pointerName = arrayName; -
示例：
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; int *p = arr; printf("%d\n", *p); // 访问第一个元素 -
指针和数组：
- 指针可以指向数组的第一个元素。
- 使用指针可以访问数组中的元素，通过解引用操作
*来获取元素值。 - 指针和数组名都可以用作循环中的索引。
- 指针可以遍历整个数组，类似于数组索引的方式。
- 数组名实际上是一个指向数组第一个元素的常量指针。
- 通过指针可以修改数组中的元素。
- 指针可以指向数组中的任何元素，不仅仅是第一个元素。
- 指针可以指向数组的一部分，形成子数组的概念。
- 指针和数组的结合使用可以简化数组的处理，尤其是在处理大型数组或复杂数据结构时。
- 指针可以用来实现数组的高效遍历，如使用指针来遍历数组，可以避免重复计算数组元素的地址。
4.1.4 函数参数传递
指针可以用作函数的参数，以实现数据的传递。
// 交换两个整数
void swap(int *a, int *b) {
int temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
int main() {
int x = 10, y = 20;
printf("Before swap: x = %d, y = %d\n", x, y);
swap(&x, &y);
printf("After swap: x = %d, y = %d\n", x, y);
return 0;
}
-
语法：
void functionName(type *pointerName) { // 使用指针 } -
示例：
void swap(int *a, int *b) { int temp = *a; *a = *b; *b = temp; } -
函数参数传递：
- 使用指针作为函数参数可以修改原始变量的值。
- 要传递变量的地址，需要使用取址运算符
&。 - 通过解引用操作
*来访问和修改指针指向的变量。 - 指针作为函数参数可以用于实现数据的传递和修改。
- 传递指针可以避免复制大量数据，提高效率。
- 指针作为函数参数还可以用于返回多个值，而不必使用全局变量或结构体。
- 使用指针作为函数参数需要小心，因为它们可以修改原始数据，可能导致意外的结果。
- 传递指针时，需要确保指针指向的内存是有效的，不会导致未定义行为。
- 使用指针作为函数参数时，还需要注意指针的安全性，确保不会访问非法内存。
4.2 内存管理
C语言提供了动态内存管理的功能，允许程序在运行时分配和释放内存。
4.2.1 分配内存
动态分配内存使用malloc函数。
// 分配内存
int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
-
语法：
type *pointerName = (type *)malloc(size); -
示例：
int *p = (int *)malloc(sizeof(int)); -
分配内存：
- 使用
malloc函数分配内存。 malloc函数返回一个指向分配的内存块的指针，类型需要强制转换为所需的类型。- 分配的内存大小需要通过
sizeof操作符确定。 - 分配的内存需要显式地使用
free函数释放，以避免内存泄漏。 - 如果
malloc分配内存失败，它将返回NULL，此时程序应检查返回值并采取适当的措施。 - 分配的内存未经初始化，因此需要手动初始化。
- 动态分配的内存通常用于处理大小未知的数据结构，如动态数组、链表等。
- 使用
malloc分配的内存大小应该是足够的，以避免频繁的内存分配和释放操作。 - 在动态分配内存时，还需要考虑内存碎片问题，特别是在频繁分配和释放内存的情况下。
- 使用
4.2.2 释放内存
释放内存使用free函数。
// 释放内存
free(p);
-
语法：
free(pointerName); -
示例：
free(p); -
释放内存：
- 使用
free函数释放之前分配的内存。 - 释放内存后，不应再通过该指针访问内存，否则会导致未定义行为。
- 避免释放同一块内存多次，这会导致程序崩溃。
- 在程序结束前，应当释放所有分配的内存，以避免内存泄漏。
- 释放内存时，需要确保指针不是
NULL，以避免尝试释放NULL指针导致的错误。 - 释放内存后，最好将指针设置为
NULL，以避免悬空指针的问题。 - 释放内存时，还需要确保指针指向的内存确实是之前分配的内存，避免释放非法内存。
- 释放内存后，如果后续还需要使用这块内存，需要重新分配。
- 使用
4.2.3 重新分配内存
使用realloc函数可以改变已分配内存的大小。
// 重新分配内存
p = (int *)realloc(p, 2 * sizeof(int));
-
语法：
pointerName = (type *)realloc(pointerName, newSize); -
示例：
p = (int *)realloc(p, 2 * sizeof(int)); -
重新分配内存：
- 使用
realloc函数可以改变已分配内存的大小。 realloc函数尝试保留原有内存中的数据。- 如果
realloc失败，它可能会返回一个新的指针，原来的指针仍然有效。 - 在使用
realloc之后，需要检查返回的指针是否为NULL。 - 当内存大小减少时，可能会丢失数据。
- 当内存大小增加时，新分配的内存未初始化。
realloc函数可以用于动态调整数据结构的大小，如动态数组。- 在使用
realloc时，如果新大小为0，则内存将被释放，原来的指针将变为无效。 - 如果新的内存大小大于旧的内存大小，
realloc会尽可能地保留原有数据，但如果无法保留全部数据，则可能会丢失部分数据。 - 使用
realloc时，还需要考虑内存碎片问题，特别是在频繁调用realloc的情况下。
- 使用
4.3 实践练习
4.3.1 练习编写指针程序
编写一个程序，使用指针遍历一个整数数组，并找出最大值。
#include <stdio.h>
int findMax(int *arr, int size) {
int max = arr[0];
for (int i = 1; i < size; i++) {
if (arr[i] > max) {
max = arr[i];
}
}
return max;
}
int main() {
int arr[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
int max = findMax(arr, 5);
printf("The maximum value is: %d\n", max);
return 0;
}
- 查找数组中的最大值：
- 使用指针可以遍历数组并找到最大值。
- 函数
findMax接受一个整数数组的指针和数组的大小作为参数。 - 函数内部使用一个循环遍历数组，通过比较来更新最大值。
- 最终返回数组中的最大值。
- 在编写此类函数时，需要确保指针指向的是有效的数组。
- 使用指针可以提高函数的通用性，使其适用于不同大小的数组。
- 函数还可以通过指针参数返回其他统计信息，如最小值、平均值等。
- 在遍历数组时，还需要确保指针不会越界，即确保指针指向的地址是有效的。
4.3.2 练习编写内存管理程序
编写一个程序，动态分配一个整数数组，并使用指针访问和修改数组元素。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int *p;
int size = 5;
// 分配内存
p = (int *)malloc(size * sizeof(int));
// 初始化数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
*(p + i) = i + 1;
}
// 打印数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
printf("%d ", *(p + i));
}
printf("\n");
// 修改数组
*(p + 2) = 100;
// 打印修改后的数组
for (int i = 0; i < size; i++) {
printf("%d ", *(p + i));
}
printf("\n");
// 释放内存
free(p);
return 0;
}
- 动态分配数组：
- 使用
malloc函数动态分配一个整数数组。 - 分配的内存需要显式地使用
free函数释放，以避免内存泄漏。 - 分配内存后，可以使用指针来初始化数组元素。
- 使用指针遍历数组可以访问和修改数组元素。
- 释放内存时，需要确保不再使用该指针指向的内存。
- 在动态分配数组时，需要确保分配的内存足够大，以容纳所有数据。
- 使用动态分配的数组可以处理大小未知的情况，如读取文件中的数据。
- 在动态分配内存时，还需要考虑内存碎片问题，特别是在频繁分配和释放内存的情况下。
- 在使用动态分配的数组时，还需要确保指针不会越界，即确保指针指向的地址是有效的。
- 使用
4.4 小结
本章介绍了C语言中的指针和内存管理。通过这些知识，你可以更灵活地控制程序中的数据存储和访问方式。接下来，你可以继续深入到更复杂的主题，如函数、结构体、文件操作等。