练习16:结构体和指向它们的指针
在这个练习中你将会学到如何创建,将一个指针指向它们,以及使用它们来理解内存的内部结构。我也会借助上一节课中的指针知识,并且让你使用malloc
从原始内存中构造这些结构体。
像往常一样,下面是我们将要讨论的程序,你应该把它打下来并且使它正常工作:
我打算使用一种和之前不一样的方法来描述这段程序。我并不会对程序做逐行的拆分,而是由你自己写出来。我会基于程序所包含的部分来给你提示,你的任务就是写出每行是干什么的。
包含(include
)
我包含了一些新的头文件,来访问一些新的函数。每个头文件都提供了什么东西?
struct Person
Pearson_create
函数
我需要一个方法来创建这些结构体,于是我定义了一个函数来实现。下面是这个函数做的几件重要的事情:
- 使用用于内存分配的
malloc
来向OS申请一块原始的内存。 - 向
malloc
传递sizeof(struct Person)
参数,它计算结构体的大小,包含其中的所有成员。 - 使用了
assert
来确保从malloc
得到一块有效的内存。有一个特殊的常亮叫做NULL
,表示“未设置或无效的指针”。这个assert
大致检查了malloc
是否会返回NULL
。 - 使用
x->y
语法来初始化struct Person
的每个成员,它指明了所初始化的成员。 - 使用
strdup
来复制字符串name
,是为了确保结构体真正拥有它。strdup
的行为实际上类似malloc
但是它同时会将原来的字符串复制到新创建的内存。
Person_destroy
函数
如果定义了创建函数,那么一定需要一个销毁函数,它会销毁Person
结构体。我再一次使用了assert
来确保不会得到错误的输入。接着我使用了free
函数来交还通过malloc
和strdup
得到的内存。如果你不这么做则会出现“内存泄露”。
Person_print
函数
main
函数
我在main
函数中使用了所有前面的函数和struct Person
来执行下面的事情:
- 创建了两个人:
joe
和frank
。 - 把它们打印出来,注意我用了
%p
占位符,所以你可以看到程序实际上把结构体放到了哪里。 - 把它们的年龄增加20岁,同时增加它们的体重。
- 之后打印出每个人。
- 最后销毁结构体,以正确的方式清理它们。
请仔细阅读上面的描述,然后做下面的事情:
- 查询每个你不了解的函数或头文件。记住你通常可以使用
man 2 function
或者man 3 function
来让它告诉你。你也可以上网搜索资料。 - 在每一行上方编写注释,写下这一行代码做了什么。
- 跟踪每一个函数调用和变量,你会知道它在程序中是在哪里出现的。
在你使用描述性注释扩展程序之后,要确保它实际上能够运行,并且产生下面的输出:
$ make ex16
cc -Wall -g ex16.c -o ex16
$ ./ex16
Joe is at memory location 0xeba010:
Name: Joe Alex
Age: 32
Height: 64
Weight: 140
Frank is at memory location 0xeba050:
Name: Frank Blank
Age: 20
Height: 72
Weight: 180
Name: Joe Alex
Age: 52
Name: Frank Blank
Age: 40
Height: 72
Weight: 200
如果你完成了我要求的任务,你应该理解了结构体。不过让我来做一个明确的解释,确保你真正理解了它。
C中的结构体是其它数据类型(变量)的一个集合,它们储存在一块内存中,然而你可以通过独立的名字来访问每个变量。它们就类似于数据库表中的一行记录,或者面向对象语言中的一个非常简单的类。让我们以这种方式来理解它:
- 在上面的代码中,你创建了一个结构体,它们的成员用于描述一个人:名称、年龄、体重、身高。
- 每个成员都有一个类型,比如是
int
。 - C会将它们打包到一起,于是它们可以用单个的结构体来存放。
struct Person
是一个复合类型,这意味着你可以在同种表达式中将其引用为其它的数据类型。- 你可以将这一紧密的组合传递给其它函数,就像
Person_print
那样。 - 如果结构体是指针的形式,接着你可以使用
x->y
通过它们的名字来访问结构体中独立的部分。 - 还有一种创建结构体的方法,不需要指针,通过
x.y
来访问。你将会在附加题里面见到它。
如果你不使用结构体,则需要自己计算出大小、打包以及定位出指定内容的内存片位置。实际上,在大多数早期(甚至现在的一些)的汇编代码中,这就是唯一的方式。在C中你就可以让C来处理这些复合数据类型的内存构造,并且专注于和它们交互。
- 试着传递
NULL
给Person_destroy
来看看会发生什么。如果它没有崩溃,你必须移除Makefile的CFLAGS
中的-g
选项。 - 在结尾处忘记调用
Person_destroy
,在Valgrind
下运行程序,你会看到它报告出你忘记释放内存。弄清楚你应该向valgrind
传递什么参数来让它向你报告内存如何泄露。 - 忘记在
Person_destroy
中释放who->name
,并且对比两次的输出。同时,使用正确的选项来让Valgrind
告诉你哪里错了。 - 这一次,向
Person_print
传递NULL
,并且观察Valgrind
会输出什么。 - 你应该明白了
NULL
是个使程序崩溃的快速方法。
在这个练习的附加题中我想让你尝试一些有难度的东西:将这个程序改为不用指针和malloc
的版本。这可能很困难,所以你需要研究下面这些东西:
- 如何在栈上创建结构体,就像你创建任何其它变量那样。
- 如何不使用指针来将结构体传给其它函数。