C指针的这些使用技巧,掌握后立刻提升一个Level

Azure Terraform(七)利用Azure DevOps 实现自动化部署基础资源(补充),利用Azure DevOps 实现自动化部署基础资源


这是道哥的第016篇原创

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一、前言

半个月前写的那篇关于指针最底层原理的文章,得到了很多朋友的认可(链接: C语言指针-从底层原理到花式技巧,用图文和代码帮你讲解透彻),特别是对刚学习C语言的小伙伴来说,很容易就从根本上理解指针到底是什么、怎么用,这也让我坚信一句话;用心写出的文章,一定会被读者感受到!在写这篇文章的时候,我列了一个提纲,写到后面的时候,发现已经超过一万字了,但是提纲上还有最后一个主题没有写。如果继续写下去,文章体积就太大了,于是就留下了一个尾巴。

今天,我就把这个尾巴给补上去:主要是介绍指针在应用程序的编程中,经常使用的技巧。如果之前的那篇文章勉强算是“道”层面的话,那这篇文章就属于“术”的层面。主要通过 8 个示例程序来展示在 C 语言应用程序中,关于指针使用的常见套路,希望能给你带来收获。

记得我在校园里学习C语言的时候,南师大的黄凤良老师花了大半节课的时间给我们解释指针,现在最清楚地记得老师说过的一句话就是:指针就是地址,地址就是指针!

二、八个示例

1. 开胃菜:修改主调函数中的数据

// 交换 2 个 int 型数据
void demo1_swap_data(int *a, int *b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

void demo1()
{
    int i = 1;
    int j = 2;
    printf("before: i = %d, j = %d \n", i, j);
    demo1_swap_data(&i, &j);
    printf("after:  i = %d, j = %d \n", i, j);
}

这个代码不用解释了,大家一看就明白。如果再过多解释的话,好像在侮辱智商。

2. 在被调用函数中,分配系统资源

代码的目的是:在被调用函数中,从堆区分配 size 个字节的空间,返回给主调函数中的 pData 指针。

void demo2_malloc_heap_error(char *buf, int size)
{
    buf = (char *)malloc(size);
    printf("buf = 0x%x \n", buf);
}

void demo2_malloc_heap_ok(char **buf, int size)
{
    *buf = (char *)malloc(size);
    printf("*buf = 0x%x \n", *buf);
}

void demo2()
{
    int size = 1024;
    char *pData = NULL;

    // 错误用法
    demo2_malloc_heap_error(pData, size);
    printf("&pData = 0x%x, pData = 0x%x \n", &pData, pData);

    // 正确用法
    demo2_malloc_heap_ok(&pData, size);
    printf("&pData = 0x%x, pData = 0x%x \n", &pData, pData);
    free(pData);
}
2.1 错误用法

刚进入被调用函数 demo2_malloc_heap_error 的时候,形参 buff 是一个 char* 型指针,它的值等于 pData 变量的值,也就是说 buffpData 的值相同(都为 NULL),内存模型如图:

在被调用函数中执行 malloc 语句之后,从堆区申请得到的地址空间赋值给 buf,就是说它就指向了这个新的地址空间,而 pData 里仍然是NULL,内存模型如下:

从图中可以看到,pData 的内存中一直是 NULL,没有指向任何堆空间。另外,由于形参 buf 是放在函数的栈区的,从被调函数中返回的时候,堆区这块申请的空间就被泄漏了

2.2 正确用法

刚进入被调用函数 demo2_malloc_heap_error 的时候,形参 buf 是一个 char* 型的二级指针,就是说 buf 里的值是另一个指针变量的地址,在这个示例中 buf 里的值就是 pData 这个指针变量的地址,内存模型如下:

在被调用函数中执行 malloc 语句之后,从堆区申请得到的地址空间赋值给 *buf,因为 buf = &pData,所以 *buf 就相当于是 pData,那么从堆区申请得到的地址空间就赋值 pData 变量,内存模型如下:

从被调函数中返回之后,pData 就正确的得到了一块堆空间,别忘了使用之后要主动释放

3. 传递函数指针

从上篇文章中我们知道,函数名本身就代表一个地址,在这个地址中存储着函数体中定义的一连串指令码,只要给这个地址后面加上一个调用符(小括号),就进入这个函数中执行。在实际程序中,函数名常常作为函数参数来进行传递。

熟悉C++的小伙伴都知道,在标准库中对容器类型的数据进行各种算法操作时,可以传入用户自己的提供的算法函数(如果不传入函数,标准库就使用默认的)。

下面是一个示例代码,对一个 int 行的数组进行排序,排序函数 demo3_handle_data 的最后一个参数是一个函数指针,因此需要传入一个具体的排序算法函数。示例中有 2 个候选函数可以使用:

  1. 降序排列: demo3_algorithm_decend;
  2. 升序排列: demo3_algorithm_ascend;
typedef int BOOL;
#define FALSE 0
#define TRUE  1

BOOL demo3_algorithm_decend(int a, int b)
{
    return a > b;
}

BOOL demo3_algorithm_ascend(int a, int b)
{
    return a < b;
}

typedef BOOL (*Func)(int, int);
void demo3_handle_data(int *data, int size, Func pf)
{
    for (int i = 0; i < size - 1; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < size - 1 - i; ++j)
        {
            // 调用传入的排序函数
            if (pf(data[j], data[j+1]))
            {
                int tmp = data[j];
                data[j] = data[j + 1];
                data[j + 1] = tmp;
            }
        }
    }
}

void demo3()
{
    int a[5] = {5, 1, 9, 2, 6};
    int size = sizeof(a)/sizeof(int);
    // 调用排序函数,需要传递排序算法函数
    //demo3_handle_data(a, size, demo3_algorithm_decend); // 降序排列
    demo3_handle_data(a, size, demo3_algorithm_ascend);   // 升序排列
    for (int i = 0; i < size; ++i)
        printf("%d ", a[i]);
    printf("\n");
}

这个就不用画图了,函数指针 pf 就指向了传入的那个函数地址,在排序的时候直接调用就可以了。

4. 指向结构体的指针

在嵌入式开发中,指向结构体的指针使用特别广泛,这里以智能家居中的一条控制指令来举例。在一个智能家居系统中,存在各种各样的设备(插座、电灯、电动窗帘等),每个设备的控制指令都是不一样的,因此可以在每个设备的控制指令结构体中的最前面,放置所有指令都需要的、通用的成员变量,这些变量可以称为指令头(指令头中包含一个代表命令类型的枚举变量)。

当处理一条控制指令时,先用一个通用命令(指令头)的指针来接收指令,然后根据命令类型枚举变量来区分,把控制指令强制转换成具体的那个设备的数据结构,这样就可以获取到控制指令中特定的控制数据了。

本质上,与 Java/C++ 中的接口、基类的概念类似。

// 指令类型枚举
typedef enum _CMD_TYPE_ {
    CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH = 1,
    CMD_TYPE_CONTROL_LAMP,
} CMD_TYPE;

// 通用的指令数据结构(指令头)
typedef struct _CmdBase_ {
    CMD_TYPE cmdType; // 指令类型
    int deviceId;     // 设备 Id
} CmdBase;

typedef struct _CmdControlSwitch_ {
    // 前 2 个参数是指令头
    CMD_TYPE cmdType;   
    int deviceId;
    
    // 下面都有这个指令私有的数据
    int slot;  // 排插上的哪个插口
    int state; // 0:断开, 1:接通
} CmdControlSwitch;

typedef struct _CmdControlLamp_ {
    // 前 2 个参数是指令头
    CMD_TYPE cmdType;
    int deviceId;
    
    // 下面都有这个指令私有的数据
    int color;      // 颜色
    int brightness; // 亮度
} CmdControlLamp;

// 参数是指令头指针
void demo4_control_device(CmdBase *pcmd)
{
    // 根据指令头中的命令类型,把指令强制转换成具体设备的指令
    if (CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH == pcmd->cmdType)
    {
        // 类型强制转换
        CmdControlSwitch *cmd = pcmd;
        printf("control switch. slot = %d, state = %d \n", cmd->slot, cmd->state);
    }
    else if (CMD_TYPE_CONTROL_LAMP == pcmd->cmdType)
    {
        // 类型强制转换
        CmdControlLamp * cmd = pcmd;
        printf("control lamp.   color = 0x%x, brightness = %d \n", cmd->color, cmd->brightness);
    }
}

void demo4()
{
    // 指令1:控制一个开关
    CmdControlSwitch cmd1 = {CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH, 1, 3, 0};
    demo4_control_device(&cmd1);

    // 指令2:控制一个灯泡
    CmdControlLamp cmd2 = {CMD_TYPE_CONTROL_LAMP, 2, 0x112233, 90};
    demo4_control_device(&cmd2);
}

5. 函数指针数组

这个示例在上篇文章中演示过,为了完整性,这里再贴一下。

int add(int a, int b) { return a + b; }
int sub(int a, int b) { return a - b; }
int mul(int a, int b) { return a * b; }
int divide(int a, int b) { return a / b; }

void demo5()
{
    int a = 4, b = 2;
    int (*p[4])(int, int);
    p[0] = add;
    p[1] = sub;
    p[2] = mul;
    p[3] = divide;
    printf("%d + %d = %d \n", a, b, p[0](a, b));
    printf("%d - %d = %d \n", a, b, p[1](a, b));
    printf("%d * %d = %d \n", a, b, p[2](a, b));
    printf("%d / %d = %d \n", a, b, p[3](a, b));
}

6. 在结构体中使用柔性数组

先不解释概念,我们先来看一个代码示例:

// 一个结构体,成员变量 data 是指针
typedef struct _ArraryMemberStruct_NotGood_ {
    int num;
    char *data;
} ArraryMemberStruct_NotGood;

void demo6_not_good()
{
    // 打印结构体的内存大小
    int size = sizeof(ArraryMemberStruct_NotGood);
    printf("size = %d \n", size);

    // 分配一个结构体指针
    ArraryMemberStruct_NotGood *ams = (ArraryMemberStruct_NotGood *)malloc(size);
    ams->num = 1;

    // 为结构体中的 data 指针分配空间
    ams->data = (char *)malloc(1024);
    strcpy(ams->data, "hello");
    printf("ams->data = %s \n", ams->data);

    // 打印结构体指针、成员变量的地址
    printf("ams = 0x%x \n", ams);
    printf("ams->num  = 0x%x \n", &ams->num);
    printf("ams->data = 0x%x \n", ams->data);

    // 释放空间
    free(ams->data);
    free(ams);
}

在我的电脑上,打印结果如下:

可以看到:该结构体一共有 8 个字节(int 型占 4 个字节,指针型占 4 个字节)。

结构体中的 data 成员是一个指针变量,需要单独为它申请一块空间才可以使用。而且在结构体使用之后,需要先释放 data,然后释放结构体指针 ams,顺序不能错
这样使用起来,是不是有点麻烦?

于是,C99 标准就定义了一个语法:flexible array member(柔性数组),直接上代码(下面的代码如果编译时遇到警告,请检查下编译器对这个语法的支持):

// 一个结构体,成员变量是未指明大小的数组
typedef struct _ArraryMemberStruct_Good_ {
    int num;
    char data[];
} ArraryMemberStruct_Good;

void demo6_good()
{
    // 打印结构体的大小
    int size = sizeof(ArraryMemberStruct_Good);
    printf("size = %d \n", size);

    // 为结构体指针分配空间
    ArraryMemberStruct_Good *ams = (ArraryMemberStruct_Good *)malloc(size + 1024);

    strcpy(ams->data, "hello");
    printf("ams->data = %s \n", ams->data);

    // 打印结构体指针、成员变量的地址
    printf("ams = 0x%x \n", ams);
    printf("ams->num  = 0x%x \n", &ams->num);
    printf("ams->data = 0x%x \n", ams->data);

    // 释放空间
    free(ams);
}

打印结果如下:

一篇文章带你初步了解—CSS特指度

与第一个例子中有下面几个不同点

  1. 结构体的大小变成了 4;
  2. 为结构体指针分配空间时,除了结构体本身的大小外,还申请了 data 需要的空间大小;
  3. 不需要为 data 单独分配空间了;
  4. 释放空间时,直接释放结构体指针即可;

是不是用起来简单多了?!这就是柔性数组的好处。

从语法上来说,柔性数组就是指结构体中最后一个元素个数未知的数组,也可以理解为长度为 0,那么就可以让这个结构体称为可变长的。

前面说过,数组名就代表一个地址,是一个不变的地址常量。在结构体中,数组名仅仅是一个符号而已,只代表一个偏移量,不会占用具体的空间。

另外,柔性数组可以是任意类型。这里示例大家多多体会,在很多通讯类的处理场景中,常常见到这种用法。

7. 通过指针来获取结构体中成员变量的偏移量

这个标题读起来似乎有点拗口,拆分一下:在一个结构体变量中,可以利用指针操作的技巧,获取某个成员变量的地址、距离结构体变量的开始地址、之间的偏移量

Linux 内核代码中你可以看到很多地方都利用了这个技巧,代码如下:

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &(((TYPE*)0)->MEMBER))

typedef struct _OffsetStruct_ {
    int a;
    int b;
    int c;
} OffsetStruct;

void demo7()
{
    OffsetStruct os;
    // 打印结构体变量、成员变量的地址
    printf("&os = 0x%x \n", &os);
    printf("&os->a = 0x%x \n", &os.a);
    printf("&os->b = 0x%x \n", &os.b);
    printf("&os->c = 0x%x \n", &os.c);
    printf("===== \n");
    // 打印成员变量地址,与结构体变量开始地址,之间的偏移量
    printf("offset: a = %d \n", (char *)&os.a - (char *)&os);
    printf("offset: b = %d \n", (char *)&os.b - (char *)&os);
    printf("offset: c = %d \n", (char *)&os.c - (char *)&os);
    printf("===== \n");
    // 通过指针的强制类型转换来获取偏移量
    printf("offset: a = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->a);
    printf("offset: b = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->b);
    printf("offset: c = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->c);
    printf("===== \n");
    // 利用宏定义来得到成员变量的偏移量
    printf("offset: a = %d \n", offsetof(OffsetStruct, a));
    printf("offset: b = %d \n", offsetof(OffsetStruct, b));
    printf("offset: c = %d \n", offsetof(OffsetStruct, c));
}

先来看打印结果:

前面 4 行的打印信息不需要解释了,直接看下面这个内存模型即可理解。

下面这个语句也不需要多解释,就是把两个地址的值进行相减,得到距离结构体变量开始地址的偏移量,注意:需要把地址强转成 char* 型之后,才可以相减。

printf("offset: a = %d \n", (char *)&os.a - (char *)&os);

下面这条语句需要好好理解:

printf("offset: a = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->a);

数字 0 看成是一个地址,也就是一个指针。上篇文章解释过,指针就代表内存中的一块空间,至于你把这块空间里的数据看作是什么,这个随便你,你只要告诉编译器,编译器就按照你的意思去操作这些数据。

现在我们把 0 这个地址里的数据看成是一个 OffsetStruct 结构体变量(通过强制转换来告诉编译器),这样就得到了一个 OffsetStruct 结构体指针(下图中绿色横线),然后得到该指针变量中的成员变量 a(蓝色横线),再然后通过取地址符 & 得到 a 的地址(橙色横线),最后把这个地址强转成 size_t 类型(红色横线)。

因为这个结构体指针变量是从 0 地址开始的,因此,成员变量 a 的地址就是 a 距离结构体变量开始地址的偏移量。

上面的描述过程,如果感觉拗口,请结合下面这张图再读几遍:

上面这张图如果能看懂的话,那么最后一种通过宏定义获取偏移量的打印语句也就明白了,无非就是把代码抽象成宏定义了,方便调用

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &(((TYPE*)0)->MEMBER))

printf("offset: a = %d \n", offsetof(OffsetStruct, a));

可能有小伙伴提出:获取这个偏移量有什么用啊?那就请接着看下面的示例 8

8. 通过结构体中成员变量的指针,来获取该结构体的指针

标题同样比较拗口,直接结合代码来看:

typedef struct _OffsetStruct_ {
    int a;
    int b;
    int c;
} OffsetStruct;

假设有一个 OffsetStruct 结构体变量 os,我们只知道 os 中成员变量 c 的地址(指针),那么我们想得到变量 os 的地址(指针),应该怎么做?这就是标题所描述的目的。

下面代码中的宏定义 container_of 同样是来自于 Linux 内核中的(大家平常没事时多挖掘,可以发现很多好东西)。

#define container_of(ptr, type, member) ({ \
     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

void demo8()
{
    // 下面 3 行仅仅是演示 typeof 关键字的用法
    int n = 1;
    typeof(n) m = 2;  // 定义相同类型的变量m
    printf("n = %d, m = %d \n", n, m); 

    // 定义结构体变量,并初始化
    OffsetStruct os = {1, 2, 3};
    
    // 打印结构体变量的地址、成员变量的值(方便后面验证)
    printf("&os = 0x%x \n", &os);
    printf("os.a = %d, os.b = %d, os.c = %d \n", os.a, os.b, os.c);

    printf("===== \n");
    
    // 假设只知道某个成员变量的地址
    int *pc = &os.c;
    OffsetStruct *p = NULL;
    
    // 根据成员变量的地址,得到结构体变量的地址
    p = container_of(pc, OffsetStruct, c);
    
    // 打印指针的地址、成员变量的值
    printf("p = 0x%x \n", p);
    printf("p->a = %d, p->b = %d, p->c = %d \n", p->a, p->b, p->c);
}

先看打印结果:

首先要清楚宏定义中参数的类型:

  1. ptr: 成员变量的指针;
  2. type: 结构体类型;
  3. member:成员变量的名称;

这里的重点就是理解宏定义 container_of,结合下面这张图,把宏定义拆开来进行描述:

宏定义中的第 1 条语句分析:

  1. 绿色横线:把数字 0 看成是一个指针,强转成结构体 type 类型;
  2. 蓝色横线:获取该结构体指针中的成员变量 member;
  3. 橙色横线:利用 typeof 关键字,获取该 member 的类型,然后定义这个类型的一个指针变量 __mptr;
  4. 红色横线:把宏参数 ptr 赋值给 __mptr 变量;

宏定义中的第 2 条语句分析

  1. 绿色横线:利用 demo7 中的 offset 宏定义,得到成员变量 member 距离结构体变量开始地址的偏移量,而这个成员变量指针刚才已经知道了,就是 __mptr;
  2. 蓝色横线:把 __mptr 这个地址,减去它自己距离结构体变量开始地址的偏移量,就得到了该结构体变量的开始地址;
  3. 橙色横线:最后把这个指针(此时是 char* 型),强转成结构体 type 类型的指针;

三、总结

上面这 8 个关于指针的用法掌握之后,再去处理子字符、数组、链表等数据,基本上就是熟练度和工作量的问题了。
希望大家都能用好指针这个神器,提高程序程序执行效率。

面对代码,永无bug;面对生活,春暖花开!祝您好运!

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【原创声明】

作者:道哥(公众号: IOT物联网小镇)
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