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C语言入门：结构体、指针与内存管理

C语言作为一门底层编程语言，在音视频开发中具有重要地位。掌握其基本语法和数据结构是每个开发者的必修课。本文将从结构体、指针、位运算、内存管理等方面入手，为读者提供实用的编程知识。

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一、结构体

1.1 结构体类型的定义

结构体是一种用户自定义的数据类型，用于存储多个不同数据类型的数据。其定义方式如下：

struct Person { 
    char name[64]; 
    int age; 
};
typedef struct { 
    char name[64]; 
    int age; 
} Person;

注意事项：在定义结构体时，不能直接给成员赋值。结构体只是一个类型定义，变量分配空间时才会赋值。

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1.2 结构体变量的定义

结构体变量可以通过以下方式定义：

struct Person { 
    char name[64]; 
    int age; 
} p1;  // 定义类型同时定义变量
struct { 
    char name[64]; 
    int age; 
} p2;  // 定义类型同时定义变量
struct Person p3;  // 通过类型直接定义

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1.3 结构体变量的初始化

结构体变量可以通过以下方式初始化：

struct Person { 
    char name[64]; 
    int age; 
} p1 = { "john", 10 }; 
struct { 
    char name[64]; 
    int age; 
} p2 = { "Obama", 30 }; 
struct Person p3 = { "Edward", 33 };

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1.4 结构体成员的使用

通过指针或数组方式访问结构体成员：

#include 
   
    
#include 
    
     
#include 
     
      
struct Person { 
    char name[64]; 
    int age; 
};
void test() {
    // 栈上分配空间
    struct Person p1;
    strcpy(p1.name, "John");
    p1.age = 30;
    
    // 堆上分配空间
    struct Person* p2 = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person));
    strcpy(p2->name, "Obama");
    p2->age = 33;
    
    printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);
    printf("Name:%s Age:%d\n", p2->name, p2->age);
}
     
    
   

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1.5 结构体赋值

结构体变量可以相互赋值，但不会影响原变量的空间：

struct Person { 
    char name[64]; 
    int age; 
};
void test() {
    // 在栈上分配空间
    struct Person p1 = { "John", 30 };
    struct Person p2 = { "Obama", 33 };
    
    printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);
    printf("Name:%s Age:%d\n", p2.name, p2.age);
    
    // 将p2的值赋值给p1
    p1 = p2;
    printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);
    printf("Name:%s Age:%d\n", p2.name, p2.age);
}

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二、指针强化

2.1 指针变量

指针是一种数据类型，用于存储内存地址。以下是指针的基本使用示例：

void test01() {
    int* p1 = 0x1234;  // 1
    int*** p2 = 0x1111; // 2
    printf("p1 size:%d\n", sizeof(p1)); // 8字节
    printf("p2 size:%d\n", sizeof(p2)); // 8字节
    
    int a = 10;
    p1 = &a;
    printf("p1 address:%p\n", p1); // 0x7fffe080
    printf("p1 address:%p\n", p1); // p1值的地址
    printf("a address:%p\n", &a); // a元素的地址
}

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2.2 空指针

空指针（NULL指针）用于表示不指向任何对象。可以通过以下方式赋值：

void test() {
    char *p = NULL; // 空指针
    // 读写空指针会导致错误
    strcpy(p, "1111"); // err
    char *q = 0x1122; // 野指针
    strcpy(q, "2222"); // err
}

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2.3 野指针

野指针是指指针未初始化或指向已释放的内存。避免野指针的出现：

初始化指针为 NULL。

释放后的指针立即置空。

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2.4 间接访问操作符

通过 * 操作符解引用指针：

void test01() {
    int a = 10;
    int* p = &a;
    *p = 20;
    
    int b = *p; // 必须确保内存可写
    
    const char* str = "hello world!";
    *str = 'm';
    printf("a:%d\n", a);
    printf("*p:%d\n", *p);
    printf("b:%d\n", b);
}

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2.5 指针的步长

指针的步长由其指向的数据类型决定：

int a = 0xaabbccdd;
unsigned int *p1 = &a; // p1指向整数类型，步长为4字节
unsigned char *p2 = &a; // p2指向字符类型，步长为1字节
printf("%x\n", *p1);   // aabbccdd
printf("%x\n", *p2);   // dd
printf("p1 =%d\n", p1); // 6421980
printf("p1+1=%d\n", p1 + 1); // 6421984
printf("p2 =%d\n", p2); // 6421980
printf("p2+1=%d\n", p2 + 1); // 6421981

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三、位运算

3.1 位逻辑运算符

C语言提供丰富的位运算符：

3.1.1 按位取反 ~

~(10011010) 01100101
unsigned char a = 2; // 00000010
unsigned char b = ~a; // 11111101

3.1.2 位与 &

(10010011) & (00111101) = (00010001)
val &= 0377; // 将val的前三个字节置为0

3.1.3 位或 |

(10010011) | (00111101) = (10111111)
val |= 0377; // 将val的前三个字节置为1

3.1.4 位异或 ^

(10010011) ^ (00111101) = (10101110)
val ^= 0377; // 将val的前三个字节两两异或

3.1.5 常用用法

• 打开位：flag | 00000100
• 关闭位：flag & ~flag
• 转置位：flag ^ 0xff
• 交换两个数：

int a = 10;
int b = 30;
a = a ^ b;
b = a ^ b;
a = a ^ b;

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四、指针详解

4.1 指针的作用

指针用于存储内存地址，常用于数组、链表和动态内存分配。

4.2 指针的定义

指针的定义可以是单级或多级：

int *p; // int*类型的指针
int *p[3]; // int**类型的指针，指向数组
int (*p)[3]; // 指针指向数组
int **p; // 两级指针

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4.3 指针的算术运算

指针加减操作会移动内存地址：

char a[20] = "You_are_a_girl";
int *ptr = (int *)a;
printf("* ptr addr %p\n", ptr); // 0x1000f000
ptr += 1;
printf("* ptr addr %p\n", ptr); // 0x1000f004
printf("* ptr=%c\n", *ptr); // 'r'

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五、内存分配

C语言提供 malloc、calloc、realloc 和 free 函数用于内存管理。

5.1 使用方式

• malloc(size): 分配 size 字节内存。
• calloc(n, size): 分配 n 个 size 字节的内存，初始化为 0。
• realloc(ptr, size): 修改已有指针的内存大小。
• free(ptr): 释放 ptr 所指向的内存。

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六、内存管理机制

6.1 内存区域

代码区：存放程序代码和常数。

静态区：存放全局变量和静态变量。

栈区：存放函数参数和局部变量。

堆区：存放动态分配的内存。

6.2 内存分配与释放

使用 malloc 和 free 函数时，需谨慎管理内存：

#include 
   
    
#include 
    
     
#include 
     
      
void print_array(char *p, int n) {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);
    }
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    char *p = (char *)malloc(1024 * 1024 * 1024); // 分配内存
    memset(p, 'a', sizeof(int) * 10); // 初始化内存
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        p[i] = i + 65; // 'A' 到 'J'
    }
    print_array(p, 10); // 打印数组
    free(p); // 释放内存
    return 0;
}
     
    
   

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七、异常指针

7.1 悬空指针

悬空指针指向已释放的对象，需及时置空。

int *p; // 未初始化，属于悬空指针

7.2 野指针

野指针指向垃圾内存，需避免使用。

void test() {
    int *p; // 野指针
    *p = 10; // 错误
}

7.3 空指针

空指针通过 NULL 表示不指向任何对象。

int *p = NULL; // 空指针

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通过以上内容，希望读者能够掌握 C语言中的结构体、指针和内存管理的基础知识，为后续的音视频开发打下坚实的基础。

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