C语言内存管理和指针交流研讨

随手记了笔记，等老师可以公开PPT之后对应补全，荣老师讲的太好了，十分敬佩

2021.04.01来填坑啦，但仍有一些细节的问题，没有搞清楚

老师的PPT文件

基本概念

一个变量的声明有如下两个关键部分组成

变量类型：约定了申请多大的内存
变量名称：用于识别访问到这块内存

变量类型又可以分为两大类

非数组类型，其中包含指针类型
数组类型

非数组类型

int
double
float
指针类型，下面详细介绍
...

sizeof(type)求的都是变量约定占用空间的大小，因此该函数在很多时候编译器就可以计算

数组类型

int a[2] 变量类型为int [2]，变量名称为a
float b[2][3] 变量类型float [2][3]，变量名称为b
double c[2][3][4] 变量类型double[2][3][4]，变量名称为c
...

sizeof(int[2]) 是符合语法的

所有的数组类型，无论在表达上是二维、三维或者更高维度，但本质上均是特殊的一维构造类型，包含两个要素：

老师重点强调了C语言数组变量类型是一维的，没有多维之说

元素个数
元素类型

例如float b[2][3]包含两个元素，元素类型是float[3]

指针类型

指针类型就是一个普通的非数组变量类型，任何一个变量类型，都有指向其的一个指针类型，反之依然。例如

int、float、double <==> int*、float*、double*

int[2]、float[2][3]、double[2][3][4] <==> int(*)[2]、float(*)[2][3]、double(*)[2][3][4]

指针变量类型本身也是一个非数组变量类型，也有其对应的指针类型

int*、float*、double* <==> int(**)[2]、float(**)[2][3]、double(**)[2][3][4]

在之前的资料中，指针数组是指一个数组中，每个元素都是指针；数组指针是指一个指向数组的指针
1
2
char* strs[4]; // 指针数组，一个每个元素都是char*的数组
char (*pstr) [4]; // 数组指针，一个指向char[4]的指针 
老师强调了关于数组指针和指针数组的说法其实是不太有道理的，建议从数组类型的两个要素理解，上述的说法不值一提。

数据类型总结

关于Element Type和Corresponding Pointer Type下文将会介绍。

内存六元组模型

M = {Address, Variable_Type, Name, Size, Value, Value_Type}

M: 申明变量系统给分配的一段内存，粗略可以分为两部分：物理属性和逻辑属性，其中只有Address和Size是必不可少的，见malloc的例子。

物理属性，机器知道的内容
- Address: 在内存中的第一个字节的地址，由系统分配，一旦确定无法修改
- Variable_Type：变量类型
- Name：变量名称
- Size：内存大小，必须要，且不可修改
逻辑属性，程序员知道的内容
- Value：内存表示的值
- Value_Type：表示值的类型
  - 非数组类型，Value_Type=Variable_Type， Value是通过Value_Type去观察这段内存获得的值
  - 数组类型，指向数组里元素变量类型的指针类型，Value是数组第一个元素所处内存的第一个字节编号(等于Address)

内存模型举例

int a=10

类别值

Address 0x0028FF11

Variable Type int

Name a

Size 4

Value 10

Value Type int
int* p=NULL

类别值

Address 0x0046A521

Variable Type int*

Name p

Size 4

Value NULL

Value Type int*
int e[2]

类别值

Address 0x0076AB11

Variable Type int[2]

Name p

Size 8

Value 0x0076AB11
和Address相等

Value Type int*
int g[2][3]

类别值

Address 0x0098B11D

Variable Type int[2][3]

Name g

Size 24

Value 0x0098B11D
和Address相等

Value Type int(*)[3]
m_struct h
1
2
3
4
struct m_struct{
int a;
float b;
}
类别值

Address 0x0085D611

Variable Type struct m_struct

Name h

Size 8

Value Invisible

Value Type struct m_struct
malloc(16)

类别值

Address 0x00351728

Variable Type N/A

Name N/A

Size 16

Value N/A

Value Type N/A

类别	值
Address	0x0028FF11
Variable Type	`int`
Name	`a`
Size	4
Value	10
Value Type	`int`

类别	值
Address	0x0046A521
Variable Type	`int*`
Name	p
Size	4
Value	`NULL`
Value Type	`int*`

类别	值
Address	0x0085D611
Variable Type	`struct m_struct`
Name	`h`
Size	8
Value	Invisible
Value Type	`struct m_struct`

类别	值
Address	0x00351728
Variable Type	N/A
Name	N/A
Size	16
Value	N/A
Value Type	N/A

对内存赋值

1 2	int a; a = 15;

上述表达式会产生如下的过程

对内存取值

对内存取值的步骤为：定位内存 => 识别操作 => 获得返回值

定位内存
- 变量名定位
- 指针间接定位
识别操作

识别操作按照如下顺序进行识别，也就是说下面的操作是有优先级的
- 获得内存的首地址，&，返回二元组，值和类型<0xxxxxxxxx, int*>
- 获得内存的大小，sizeof，返回二元组，值和类型<4, size_t>
- 获得内存的表示值，除1，2 两种操作符以外，返回二元组，值和类型<10, int>
返回值两元素
- 返回值类型
- 返回值的值

取值赋值举例

int a=10; int* p=&a，中第二条语句的执行过程
size_t c=sizeof(a)，执行流程如下
int b=a，执行流程如下
*p=20，执行流程如下
int* q=&(*p)，执行流程如下

size_t c=sizeof(*p)，执行流程如下
int b=*p，执行流程如下

指针变量加减操作

指针类型p，执行p+n的含义

例如*(p+1)=30，执行过程如下

再探讨

使用指针进行定位

对指针p指向的内存空间的定位有两种方式，并且是完全等价的

*p、*(p+n)
p[0]、p[n]

Tips: 书上一般些int p; 我们可以写成int p，把int*写成一个整体，看成一个类型

再看`int e[2]`

类别	值
Address	0x0076AB11
Variable Type	`int[2]`
Name	`p`
Size	8
Value	0x0076AB11 和Address相等
Value Type	`int*`

Q：Why Size=8？

A：sizeof(int) * 2
Q：Why Variable_Type=int[2]？

A：Variable Type需要能体现出变量的大小
Q：Why Value和Address一样？

A：Value指向第一个元素的下标，正好与整块变量的起始位置相同
Q：Why Type是int*

A：Value Type是数组中元素的指针类型，如此才可以*(p+n)或者p[n]来定位数组中的元素
Q：&e的返回值

A：<0x0076AB11, int(*)[2]>，被赋值的变量需要是Variable Type的指针类型，如下int (*x)[2] = &e
Q：sizeof(e)的返回值

A：<8, size_t>，返回的是变量e的Size
Q：e的返回值

A：<0x0076AB11, int*>，被赋值的变量需要是Value Type的类型，如下int* x = e
Q: 那么e[0]到底是个啥？&、sizeof、e[0]

A：

根据定位之后找到的六元组
- &：<0x0076AB11, int*>
- sizeof：<4, size_t>
- e[0]：<?, int>
Q：e=e+1和e++为啥会出错？

A：数组的Value一定是指向数组第一个元素的地址编号，对于数组e来说，V的值必须和A相等。因此，e并不是一个常量，它的值不能更改是语法限制的，对常量修改的错误应该是:assignment of read-only variable 'e'，而对e的修改会出现如下错误：

但是int *p是可以执行p++的

再看`int g[2][3]`

int g[2][3]

类别	值
Address	0x0098B11D
Variable Type	`int[2][3]`
Name	g
Size	24
Value	0x0098B11D 和Address相等
Value Type	`int(*)[3]`

&，<0x0098B11D, int(*)[2][3]>
sizeof，<24, size_t>
g，<0x0098B11D, int(*)[3]>

再看g[1]

&，<0x0098B12F, int(*)[3]>
sizeof，<12, size_t>
g[1]，<0x0098B12F, int*>

字符串

1
2
3

char str1[6] = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};
char str2[6] = "hello";
char* ptr = "hello"

上述三种表达的区别？

我忘了，尴尬，在内存上没啥区别，在6元组上，第三个会和前两个有区别

数组变量作为函数参数

老师重点强调：c语言参数传递的机制是 Pass By Value

形参中：int*=int[]，int(*)[3]=int[][3]，数组中第一维信息的丢失是C语言所有数组类型变量内存的取值机制造成的

malloc问题

int* p = (int *)malloc(sizeof(int)*4);，发生的流程