C 语言程序设计（下）——高效利用指针与内存管理

# 1. 指针的基本概念与用法

### 1.1 指针的定义和声明

指针是C语言中一种非常重要的数据类型，它存储的是某个变量的内存地址。通过指针，我们可以直接操作内存中的数据，实现高效的数据访问和处理。在C语言中，我们可以使用以下方式定义和声明指针：

int *p;   // 声明一个指向整型数据的指针变量p
char *str;   // 声明一个指向字符型数据的指针变量str

在上面的代码中，`int *p;`声明了一个指向整型数据的指针变量p，`char *str;`声明了一个指向字符型数据的指针变量str。注意，在指针类型前面加上星号(*)表示该变量是一个指针变量。

### 1.2 指针和变量之间的关系

指针和变量之间有着紧密的联系，通过指针我们可以操作变量的内存地址，实现对变量的间接访问和修改。下面是一个简单的示例代码：

#include <stdio.h>
 
int main()
{
  int num = 10;   // 定义一个整型变量num，赋值为10
  int *p;   // 声明一个指向整型数据的指针变量p
  p = &num;   // 将变量num的地址赋值给指针变量p
 
  printf("num的值：%d\n", num);
  printf("num的地址：%p\n", &num);
  printf("p指向的值：%d\n", *p);
 
  return 0;
}

在上面的代码中，通过`int *p;`声明了一个指向整型数据的指针变量p。然后，将变量num的地址赋值给指针变量p，即`p = #`。最后，通过`*p`来间接访问变量num的值。我们可以看到，通过指针p可以间接访问和修改变量num的值。

### 1.3 指针与数组的关系

指针和数组之间有着密切的联系，实际上，数组名本身就是指向数组首元素的指针。下面是一个示例代码：

#include <stdio.h>
 
int main()
{
  int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};   // 定义一个整型数组arr
  int *p = arr;   // 将数组名赋值给指针变量p
 
  for (int i = 0; i < 5; ++i)
  {
    printf("arr[%d]的值：%d\n", i, *(p + i));
  }
 
  return 0;
}

在上面的代码中，通过`int *p = arr;`将数组名arr赋值给指针变量p。通过`*(p + i)`可以访问数组元素的值，相当于`arr[i]`。通过指针p可以遍历整个数组，便于进行各种操作和计算。

### 1.4 指针的运算和比较

指针变量可以进行加减运算和比较运算。对指针进行加减运算，实际上是根据指针的类型增加或减少指针变量的值，再根据指针类型的大小确定新的指针位置。指针的比较运算是比较两个指针变量的值大小。下面是一个示例代码：

#include <stdio.h>

int main()
{
  int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};   // 定义一个整型数组arr
  int *p = arr;   // 将数组名赋值给指针变量p

  printf("p的地址：%p\n", p);
  printf("p的值：%d\n", *p);

  p++;   // 指针p递增1，指向arr[1]
  printf("p的地址：%p\n", p);
  printf("p的值：%d\n", *p);

  p = p + 3;   // 指针p递增3，指向arr[4]
  printf("p的地址：%p\n", p);
  printf("p的值：%d\n", *p);

  int *q = &arr[2];   // 定义一个指针变量q，指向arr[2]
  if (p < q)
  {
    printf("p的地址小于q\n");
  }
  else if (p > q)
  {
    printf("p的地址大于q\n");
  }
  else
  {
    printf("p的地址等于q\n");
  }

  return 0;
}

在上面的代码中，通过`p++`和`p = p + 3`对指针进行了加法运算，将指针p从arr[0]递增到arr[1]、arr[4]。通过`p < q`比较了指针p和指针q的大小关系，判断了它们指向的地址的大小关系。

通过本章的介绍，我们了解了指针的基本概念和用法，包括指针的定义和声明、指针和变量之间的关系、指针与数组的关系以及指针的运算和比较。指针是C语言中非常重要的概念，掌握好指针的使用可以提高程序的效率和灵活性。在下一章节，我们将介绍动态内存分配与释放，继续扩展指针的应用范围。

# 2. 动态内存分配与释放

动态内存分配是指在程序运行时根据需要动态地分配内存空间，这为程序的灵活性和效率提供了很大的提升。本章将介绍动态内存分配的基本概念、使用方法以及内存泄漏与内存碎片问题的解决方案。

### 2.1 内存的静态分配与动态分配

在C语言中，内存分配主要有静态分配和动态分配两种方式。静态分配是指在编译时就确定内存大小和位置的方式，例如通过定义数组或结构体变量来分配内存。而动态分配则是在程序运行时根据需要动态地分配内存空间，这种方式更为灵活。

### 2.2 动态内存分配函数 malloc 的用法

动态内存分配函数 malloc 可以在程序运行时动态地分配指定大小的内存空间。其基本用法如下：

#include <stdlib.h>

int *ptr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) {
    // 内存分配失败，进行错误处理
} else {
    // 内存分配成功，可以使用ptr指针访问动态分配的内存空间
}

### 2.3 动态内存释放函数 free 的用法

动态内存分配后，在不再需要使用动态分配的内存空间时，应该及时将其释放，以便系统能够重新分配给其他需要的程序。这时就需要使用动态内存释放函数 free 来完成内存的释放。

free(ptr);
ptr = NULL; // 释放后一定要将指针置为NULL，防止野指针

### 2.4 内存泄漏与内存碎片问题

动态内存分配后，内存泄漏和内存碎片是需要特别注意的问题。内存泄漏是指程序在动态分配内存后，由于种种原因没有释放该内存而造成的内存浪费。而内存碎片则是由于动态分配和释放操作频繁而导致的内存空间的不连续、零碎，影响程序的性能。

[参考链接：C 语言中动态内存管