diff --git a/docs/.vitepress/sidebar/index.ts b/docs/.vitepress/sidebar/index.ts index de99902..0d35947 100644 --- a/docs/.vitepress/sidebar/index.ts +++ b/docs/.vitepress/sidebar/index.ts @@ -13,10 +13,12 @@ export const sidebar: DefaultTheme.Sidebar = { { text: '变量和进制', link: `/notes/01_c-basic/04_${commonDirectoryName}/` }, { text: '数据类型和运算符', link: `/notes/01_c-basic/05_${commonDirectoryName}/` }, { text: 'C 语言中的字符集', link: `/notes/01_c-basic/06_${commonDirectoryName}/` }, - { text: '流程控制', link: `/notes/01_c-basic/07_${commonDirectoryName}/` }, - { text: '内存泄漏和内存溢出', link: `/notes/01_c-basic/08_${commonDirectoryName}/` }, - { text: '数组一', link: `/notes/01_c-basic/09_${commonDirectoryName}/` }, - { text: '数组二', link: `/notes/01_c-basic/10_${commonDirectoryName}/` }, + { text: '格式化输入输出', link: `/notes/01_c-basic/07_${commonDirectoryName}/` }, + { text: '虚拟地址空间', link: `/notes/01_c-basic/08_${commonDirectoryName}/` }, + { text: '流程控制', link: `/notes/01_c-basic/09_${commonDirectoryName}/` }, + { text: '内存泄漏和内存溢出', link: `/notes/01_c-basic/10_${commonDirectoryName}/` }, + { text: '数组一', link: `/notes/01_c-basic/11_${commonDirectoryName}/` }, + { text: '数组二', link: `/notes/01_c-basic/12_${commonDirectoryName}/` }, ] }, { diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/11.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/11.png deleted file mode 100644 index b62106c..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/11.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/12.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/12.png deleted file mode 100644 index ecc4ca8..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/12.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/2.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/2.png deleted file mode 100644 index 41e6842..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/2.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/3.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/3.png deleted file mode 100644 index ac4ce8f..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/3.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/4.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/4.png deleted file mode 100644 index bf6744a..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/4.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/5.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/5.png deleted file mode 100644 index d46ad4c..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/5.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/6.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/6.png deleted file mode 100644 index edadccb..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/6.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/7.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/7.png deleted file mode 100644 index de0e958..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/7.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/8.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/8.png deleted file mode 100644 index 46839fe..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/8.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/9.png b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/9.png deleted file mode 100644 index b24eaa6..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/9.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/index.md b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/index.md index 6b55119..e69de29 100644 --- a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/index.md +++ b/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/index.md @@ -1,1516 +0,0 @@ -# 第一章：概述 - -* `流程控制结构`是用来控制程序中`各语句执行顺序`的语句，并且可以将语句组合成能`完成一定功能`的`小逻辑模块`。 -* 在程序设计中规定了`三种`流程结构，如下所示： - * `顺序结构`：程序从上到下逐行执行，中间没有任何判断和跳转。 - * `分支结构`：根据条件，有选择的执行某段代码。在 C 语言中，有 `if...else` 和 `switch...case` 两种分支语句。 - * `循环结构`：根据循环条件，重复性的执行某段代码。在 C 语言中，有 `for`、`while`、`do...while` 三种循环结构。 - -* 在生活中的`洗衣工厂`，就包含了上述的三种流程结构，如下所示： - -![](./assets/1.jpg) - - - -# 第二章：顺序结构 - -## 2.1 概述 - -* 程序从上到下逐行地执行，表达式语句都是顺序执行的，并且上一行对某个变量的修改对下一行会产生影响。 - -![](./assets/2.png) - -## 2.2 应用示例 - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int x = 1; - int y = 2; - printf("x = %d \n", x); // x = 1 - printf("y = %d \n", y); // y = 2 - - // 对 x 和 y 的值进行修改 - x++; - y = 2 * x + y; - x = x * 10; - - printf("x = %d \n", x); // x = 20 - printf("y = %d \n", y); // y = 6 - - return 0; -} -``` - - - -# 第三章：分支结构（⭐） - -## 3.1 概述 - -* 根据特定条件执行不同的代码块，从而实现灵活的程序控制和更复杂的逻辑。 - -## 3.2 单分支结构 - -### 3.2.1 概述 - -* 语法： - -```c -if(条件表达式){ - 语句; -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 在 C 语言中，严格意义上是没有 boolean 类型的，使用`非0` 表示`真（true）`，`0` 表示`假（false）`。 -> * ② 当条件表达式为真（`非0` ），就会执行代码块中的语句；否则，就不会执行代码块中的语句。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/3.png) - -### 3.2.2 应用示例 - -* 需求：成年人心率的正常范围是每分钟 60~100 次。体检时，如果心率不在此范围内，则提示需要做进一步的检查。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int heartBeats = 0; - printf("请输入您的心率："); - scanf("%d", &heartBeats); - - if (heartBeats < 60 || heartBeats > 100) { - printf("您的心率不在正常范围内，请做进一步的检查。\n"); - } - - printf("体检结束！！！"); - - return 0; -} -``` - -### 3.2.3 应用示例 - -* 需求：根据年龄判断，如果是未成年人，则提示 "未成年人请在家长陪同下访问！" 。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int age = 0; - printf("请输入你的年龄："); - scanf("%d", &age); - - if (age < 18) { - printf("未成年人请在家长陪同下访问！\n"); - } - - printf("欢迎继续访问！"); - - return 0; -} -``` - -## 3.3 双分支结构 - -### 3.3.1 概述 - -* 语法： - -```c -if(条件表达式) { - 语句块1; -}else { - 语句块2; -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 在 C 语言中，严格意义上是没有 boolean 类型的，使用`非0` 表示`真（true）`，`0` 表示`假（false）`。 -> * ② 当条件表达式为真（`非0` ），就会执行代码块 1 中的语句；否则，执行代码块 2 中的语句。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/4.png) - -### 3.3.2 应用示例 - -* 需求：判断一个整数，是奇数还是偶数。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int num = 0; - printf("请输入一个整数："); - scanf("%d", &num); - - if (num % 2 == 0) { - printf("%d 是偶数\n", num); - } else { - printf("%d 是奇数\n", num); - } - - return 0; -} -``` - -### 3.3.2 应用示例 - -* 需求：输入年龄，如果大于18岁，则输出 "你年龄大于18，要对自己的行为负责!"；否则，输出 "你的年龄不大这次放过你了。" - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int age = 0; - printf("请输入年龄："); - scanf("%d", &age); - - if (age > 18) { - printf("你年龄大于18，要对自己的行为负责!\n"); - } else { - printf("你的年龄不大，这次放过你了!\n"); - } - - return 0; -} -``` - -### 3.3.3 应用示例 - -* 需求：判定某个年份是否为闰年？ - ->[!NOTE] -> ->* ① year 是 400 的整倍数： year%400==0 ->* ② 能被 4 整除，但不能被 100 整除：year % 4 == 0 && year % 100 != 0 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int year = 0; - printf("请输入年份："); - scanf("%d", &year); - - if (year % 400 == 0 || (year % 4 == 0 && year % 100 != 0)) { - printf("%d 是闰年\n", year); - } else { - printf("%d 不是闰年\n", year); - } - - return 0; -} -``` - -## 3.4 多重分支结构 - -### 3.4.1 概述 - -* 语法： - -```c -if (条件表达式1) { - 语句块1; -} else if (条件表达式2) { - 语句块2; -} -... -} else if (条件表达式n) { - 语句块n; -} else { - 语句块n+1; -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 在 C 语言中，严格意义上是没有 boolean 类型的，使用`非0` 表示`真（true）`，`0` 表示`假（false）`。 -> * ② 首先判断关系表达式 1 的结果是真（值为 `非0`）还是假（值为 `0`）： -> * 如果为真，就执行语句块 1，然后结束当前多分支。 -> * 如果是假，就继续判断条件表达式 2，看其结果是真还是假。 -> * 如果是真，就执行语句块 2，然后结束当前多分支。 -> * 如果是假，就继续判断条件表达式…看其结果是真还是假。 -> * ... -> * 如果没有任何关系表达式为真，就执行语句块 n+1，然后结束当前多分支。 -> * ③ 当条件表达式之间是`互斥`（彼此之间没有交集）关系时，条件判断语句及执行语句间顺序无所谓。 -> * ④ 当条件表达式之间是`包含`关系时，必须`小上大下 / 子上父下`，否则范围小的条件表达式将不可能被执行。 -> * ⑤ 当 if-else 结构是多选一的时候，最后的 else 是可选的，可以根据需要省略。 -> * ⑥ 如果语句块中只有一条执行语句的时候，`{}`是可以省略的；但是，强烈建议保留！！！ - -* 流程图，如下所示： - -![image-20240722075241253](./assets/5.png) - -### 3.4.1 应用示例 - -* 需求：张三参加考试，他和父亲达成协议，如果成绩不到 60 分没有任何奖励；如果成绩 60分（含）到 80 分，奖励一个肉夹馍；如果成绩 80 分（含）到 90 分，奖励一个 ipad；如果成绩 90 分及以上，奖励一部华为 mate60 pro 。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int score = 0; - printf("请输入分数："); - scanf("%d", &score); - - // 容错：分数不可能小于 0 或大于 100 - if (score < 0 || score > 100) { - printf("输入的分数有误！\n"); - return 0; - } - - if (score >= 90) { - printf("奖励你一部华为 mate60 pro\n"); - } else if (score >= 80) { - printf("奖励你一个 ipad\n"); - } else if (score >= 60) { - printf("奖励你一个肉夹馍\n"); - } else { - printf("你的成绩不及格，没有任何奖励！"); - } - - return 0; -} -``` - -### 3.4.2 应用示例 - -* 需求：判断水的温度，如果大于 95℃，则打印 "开水"；如果大于 70℃ 且小于等于 95℃，则打印 "热水"；如果大于 40℃ 且小于等于 70℃，则打印 "温水"；如果小于等于 40℃，则打印 "凉水"。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int temperature = 0; - printf("请输入水的温度："); - scanf("%d", &temperature); - - if (temperature > 95) { - printf("开水 \n"); - } else if (temperature > 70 && temperature <= 95) { - printf("热水 \n"); - } else if (temperature > 40 && temperature <= 70) { - printf("温水 \n"); - } else { - printf("凉水 \n"); - } - - return 0; -} -``` - -## 3.5 多重分支结构 switch - -### 3.5.1 概述 - -* 语法： - -```c -switch(表达式){ - case 常量值1: - 语句块1; - //break; - case 常量值2: - 语句块2; - //break; - ... - - case 常量值n: - 语句块n; - //break; - [default: - 语句块n+1; - ] -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① switch 后面表达式的值必须是一个整型（char、short、int、long 等）或枚举类型。 -> * ② case 后面的值必须是常量，不能是变量。 -> * ③ default 是可选的，当没有匹配的 case 的时候，就执行 default 。 -> * ④ break 语句可以使程序跳出 switch 语句块，如果没有 break，会执行下一个 case 语句块，直到遇到 break 或者执行到 switch 结尾，这个现象称为穿透。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/6.png) - -### 3.5.2 应用示例 - -* 需求：编写一个程序，该程序可以接收一个字符，比如：a、b、c、d；其中， a 表示星期一，b 表示星期二…，根据用户的输入显示相应的信息，要求使用 switch 语句。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - char chs; - printf("请输入一个字符（a、b、c、d）："); - scanf("%c", &chs); - - switch (chs) { - case 'a': - printf("今天是星期一 \n"); - printf("窗前明月光 \n"); - break; - case 'b': - printf("今天是星期二 \n"); - printf("疑是地上霜 \n"); - break; - case 'c': - printf("今天是星期三 \n"); - printf("举头望明月 \n"); - break; - case 'd': - printf("今天是星期四 \n"); - printf("低头思故乡 \n"); - break; - default: - printf("输入错误！"); - break; - } - - return 0; -} -``` - -### 3.5.3 应用示例 - -* 需求：编写程序，输入月份，输出该月份有多少天。说明：1 月、3 月、5 月、7月、8 月、10 月、12 月有 31 天，4 月、6 月、9 月、11 月有 30 天，2 月有 28 天或 29 天。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int month; - printf("请输入月份 (1-12)："); - scanf("%d", &month); - - switch (month) { - case 1: - case 3: - case 5: - case 7: - case 8: - case 10: - case 12: - printf("%d 月有 31 天\n", month); - break; - case 4: - case 6: - case 9: - case 11: - printf("%d 月有 30 天\n", month); - break; - case 2: - printf("%d 月有 28 天或 29 天\n", month); - break; - default: - printf("输入错误！"); - break; - } - - return 0; -} -``` - -### 3.5.4 switch 和 if else if 的比较 - -* ① 如果判断条件是判等，而且符合整型、枚举类型，虽然两个语句都可以使用，建议使用 swtich 语句。 -* ② 如果判断条件是区间判断，大小判断等，使用 if...else...if。 - -## 3.6 嵌套分支 - -### 3.6.1 概述 - -* 嵌套分支是指，在一个分支结构中又嵌套了另一个分支结构，里面的分支的结构称为内层分支，外面的分支结构称为外层分支。 - -> [!NOTE] -> -> 嵌套分支层数不宜过多，建议最多不要超过 3 层。 - -### 3.6.2 应用示例 - -* 需求：根据淡旺季的月份和年龄，打印票价。 - -> [!NOTE] -> -> * ① 4 -10 是旺季： -> * 成人（18-60）：60 。 -> * 儿童（<18）：半价。 -> * 老人（>60）：1/3 。 -> * ② 其余是淡季： -> * 成人：40。 -> * 其他：20。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int month; - int age; - double price = 60; - - printf("请输入月份 (1-12)："); - scanf("%d", &month); - - printf("请输入年龄："); - scanf("%d", &age); - - // 旺季 - if (month >= 4 && month <= 10) { - if (age < 18) { - price /= 2; - } else if (age > 60) { - price /= 3; - } - } else { - if (age >= 18) { - price = 40; - } else { - price = 20; - } - } - - printf("票价: %.2lf\n", price); - - return 0; -} -``` - - - -# 第四章：随机数 - -## 4.1 概述 - -* 所谓的随机数就是没有规则，并且不能预测的一些数字，也称为真随机数。 -* 程序中也是可以产生随机数的，但是是通过一些固定规则产生的，称为伪随机数。 -* 常见的伪随机数（线性同余方程，LCG）的公式，如下所示： - -$X_{n+1} = (a \cdot X_n + b) \mod m$ - -* 其中，X 是伪随机序列，a 是乘数（通常选择一个大于 0 的常数，典型值有 1664525），b 是增量（选择一个大于 0 的常数，典型值有 1013904223）， m 是模数（ 通常选择一个大的常数，常见值有 ( 2^{32} ) ，即 4294967296））。 - -> [!NOTE] -> -> 假设 a = 31 ，b = 13 ，m = 100 ；那么，伪随机数的公式就是 `X_{n+1} = (31 × X_n + 13) % 100 `。 -> -> * 如果 `X_{n}` = 1 ，那么 `X_{n+1}` = 44 。 -> * 如果 `X_{n}` = 44 ，那么 `X_{n+1}` = 77 。 -> * 如果 `X_{n}` = 77 ，那么 `X_{n+1}` = 0 。 -> * ... -> -> 最后，将得到 44、77、0、13、16、9 、92、65、28 ... ，其中 1 也称为初始种子（随机数种子）。 - -* 工作原理： - * ① 设置初始种子（X_0）： - * 种子值是算法生成随机数序列的起点。 - * 不同的种子值会产生不同的随机数序列。 - * ② 递归生成随机数： - * 从初始种子开始，通过公式不断生成新的随机数。 - * 每次迭代都使用前一次生成的随机数作为输入。 - -> [!NOTE] -> -> 如果种子的值相同，那么每次生成的随机数将相同，解决方案就是将种子的值设置为当前的时间戳。 - -## 4.2 C 语言中随机数的产生 - -* ① 设置随机数种子： - -```c -srand(10); // seed 种⼦ rand random 随机 -``` - -> [!NOTE] -> -> 随机数函数在 `#include ` 中声明。 - -* ② 根据随机数种⼦计算出⼀个伪随机数： - -```c -// 根据种⼦值产⽣⼀个 0-32767 范围的随机数 -int result = rand(); -``` - -* ③ 产生一个指定范围内的随机数： - -```c -int random_in_range(int min, int max) { - return rand() % (max - min + 1) + min; -} -``` - - - -* 示例： - -```c -#include -#include -#include - -// 生成指定范围的随机数的函数 -int randomInRange(int min, int max) { - return rand() % (max - min + 1) + min; -} - -int main() { - - // 使用当前时间作为种子 - srand(time(0)); - - // 定义范围 - int min = 1; - int max = 100; - - // 生成并打印随机数 - for (int i = 0; i < 10; ++i) { - int random = randomInRange(min, max); - printf("%d \n", random); - } - - return 0; -} -``` - - - -# 第五章：循环结构（⭐） - -## 5.1 概述 - -* 循环结构：在某些条件满足的情况下，反复执行特定代码的功能。 - -## 5.2 for 循环 - -### 5.2.1 概述 - -* 语法： - -```c -for(初始化条件①;循环条件表达式②;迭代语句④){ - 循环体语句③ -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 初始化条件，用于初始化循环变量，只会执行一次，且循环开始前就执行（可以声明多个变量，但是必须是同一类型，用逗号 `,` 隔开）。 -> * ② 循环条件表达式每次循环都执行，同 while 循环一样，每次先判断后执行循环体语句。 -> * ③ 迭代语句每次循环都执行，在大括号中循环体语句之后执行（如果有多个变量更新，用逗号 `,` 隔开）。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/7.png) - -> [!NOTE] -> -> 执行过程是：① --> ② --> ③ --> ④ --> ② --> ③ --> ④ --> ... --> ② 。 - - - -### 5.2.2 应用示例 - -* 需求：输出 5 行 `Hello World!` 。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 5; ++i) { - printf("Hello World!\n"); - } - - return 0; -} -``` - -### 5.2.3 应用示例 - -* 需求：求 1 ~ 100 之内所有偶数的和，以及偶数的个数。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int sum = 0; - int count = 0; - - for (int i = 1; i <= 100; i++) { - if (i % 2 == 0) { - sum += i; - count++; - } - } - - printf("1 ~ 100 中的所有偶数的和为: %d \n", sum); - printf("1 ~ 100 中的所有偶数的个数为: %d \n", count); - - return 0; -} -``` - -### 5.2.4 应用示例 - -* 需求：输出所有的水仙花数，所谓水仙花数是指一个 3 位数，其各个位上数字立方和等于其本身，例如：`153 = 1×1×1 + 3×3×3 + 5×5×5`。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int count = 0; - - for (int i = 100; i <= 999; i++) { - // 获取三位数 - int ge = i % 10; - int shi = i / 10 % 10; - int bai = i / 100; - - // 判定是否为水仙花数 - if (ge * ge * ge + shi * shi * shi + bai * bai * bai == i) { - printf("水仙花数：%d\n", i); - count++; - } - } - - printf("水仙花数总个数：%d\n", count); - - return 0; -} -``` - -### 5.2.5 应用示例 - -* 需求：将 1 ~ 10 倒序输出，如：10 、9 、8 ... - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 10; i >= 0; i--) { - printf("%d ", i); - } - - return 0; -} -``` - -### 5.2.6 应用示例 - -* 需求：输入两个正整数 m 和 n ，求其最大公约数和最小公倍数，例如：12 和 20 的最大公约数是 4 ，最小公倍数是 60 。 - -> [!NOTE] -> -> * 如果数 a 能被数 b 整除，且结果是整数，那么 a 就叫做 b 的倍数，b 就叫做 a 的约数（因数）。 -> * 如果一个整数同时是几个整数的约数，则称该整数为这些整数的公约数；其中，数值最大的称为最大公约数。 -> * 如果一个整数同时为两个或多个整数的倍数的数，则称该整数为这些整数的公倍数；其中，数值最小的称为最小公倍数。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int m = 12, n = 20; - - // 取出两个数中的较小值 - int min = (m < n) ? m : n; - - for (int i = min; i >= 1; i--) { - - if (m % i == 0 && n % i == 0) { - printf("最大公约数是：%d\n", i); // 公约数 - - break; //跳出当前循环结构 - } - } - - // 取出两个数中的较大值 - int max = (m > n) ? m : n; - for (int i = max; i <= m * n; i++) { - - if (i % m == 0 && i % n == 0) { - - printf("最小公倍数是：%d\n", i); // 公倍数 - - break; - } - } - - return 0; -} -``` - -## 5.3 while 循环 - -### 5.3.1 概述 - -* 语法： - -```c -初始化条件①； -while (循环条件语句②) { - 循环体语句③； - 迭代语句④； -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① `while(循环条件部分)` 中循环条件为`非0`值，表示 `true`、`真`；为`0`值，表示 `false`、`假`。 -> * ② 当循环条件表达式成立，就执行循环体语句，直到条件不成立停止循环。 -> * ③ 为避免死循环，循环条件表达式不能永远成立，且随着循环次数增加，应该越来越趋向于不成立。 -> * ④ for 循环和 while 循环`可以相互转换`，二者没有性能上的差别。 -> * ⑤ for 循环与 while 循环的区别：`初始化条件部分的作用域不同`。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/8.png) - -> [!NOTE] -> -> 执行过程是：① --> ② --> ③ --> ④ --> ② --> ③ --> ④ --> ... --> ② 。 - -### 5.3.2 应用示例 - -* 需求：输出 5 行 `Hello World!` 。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - int i = 1; - while (i <= 5) { - printf("Hello World!\n"); - i++; - } - - return 0; -} -``` - -### 5.3.3 应用示例 - -* 需求：求 1 ~ 100 之内所有偶数的和，以及偶数的个数。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - int sum = 0; - int count = 0; - - int i = 1; - while (i <= 100) { - if (i % 2 == 0) { - sum += i; - count++; - } - i++; - } - - printf("1 ~ 100 中的所有偶数的和为: %d \n", sum); - printf("1 ~ 100 中的所有偶数的个数为: %d \n", count); - - return 0; -} -``` - -### 5.3.4 应用示例 - -* 需求：世界最高山峰是珠穆朗玛峰，它的高度是 8848.86 米，假如我有一张足够大的纸，它的厚度是 0.1 毫米。请问，我折叠多少次，可以折成珠穆朗玛峰的高度? - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 折叠的次数 - int count = 0; - - // 珠峰的高度 - int zfHeight = 8848860; - - // 每次折叠的高度 - double paperHeight = 0.1; - - while (paperHeight <= zfHeight) { - count++; - paperHeight *= 2; - } - - printf("需要折叠 %d 次，才能得到珠峰的高度。\n", count); - printf("折纸的高度为 %.2f 米，超过了珠峰的高度", paperHeight / 1000); - - return 0; -} -``` - -### 5.3.5 应用示例 - -* 需求：给出一个整数 n ，判断该整数是否是 2 的幂次方。如果是，就输出 yes ；否则，输出 no 。 - -> [!NOTE] -> -> 思路： -> -> * ① 2^ 0 = 1 ，2^1 = 2 ，2^2 = 4，2^3 = 8，2^4 = 16，2^5 = 32 ...，规律：每一个数字都是前一个数字的 2 倍（任意一个数字，不断的除以 2 ，最终看结果是否是数字 1 ）。 -> * ② 循环终止条件： -> * 结果是 1 的时候，就可以结束，输出 yes 。 -> * 如果在除以 2 的时候，无法被 2 整数，也可以结束，输出 no ，如： 100 / 2 = 50，50 / 2 = 25 。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - int n = 0; - printf("请输入一个整数："); - scanf("%d", &n); - - while (n > 1 && n % 2 == 0) { - n /= 2; - } - - if (n == 1) { - printf("yes"); - } else { - printf("no"); - } - - return 0; -} -``` - -### 5.3.6 应用示例 - -* 需求：整数反转，如：123 --> 321 。 - -> [!NOTE] -> -> 思路：从右边开始，依次获取每一位数字，再拼接起来。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - int num = 0; - int original = 0; - int rev = 0; - printf("请输入一个整数："); - scanf("%d", &num); - original = num; - - // 从右边开始，依次获取每个数字，然后拼接到 rev 中 - /** - * 第 1 次，123 % 10 = 3，rev = 0 * 10 + 3 = 3 - * 第 2 次，12 % 10 = 2，rev = 3 * 10 + 2 = 32 - * 第 3 次，1 % 10 = 1，rev = 32 * 10 + 1 = 321 - */ - // 循环结束的条件是 num == 0 - while (num != 0) { - // 获取 num 右边的第一位数字 - int temp = num % 10; - // 去掉最后一位数字 - num /= 10; - // 将 temp 拼接到 rev 的后面 - rev = rev * 10 + temp; - } - - printf("%d 的反转是 %d\n", original, rev); - - return 0; -} -``` - -## 5.4 do-while 循环 - -### 5.4.1 概述 - -* 语法： - -```c -①初始化部分; -do{ - ③循环体部分 - ④迭代部分 -}while(②循环条件部分); -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① `do{} while();`最后有一个分号。 -> * ② do-while 结构的循环体语句是至少会执行一次，这个和 for 、while 是不一样的。 -> * ③ 循环的三个结构 for、while、do-while 三者是可以相互转换的。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/9.png) - -> [!NOTE] -> -> 执行过程是：① --> ③ --> ④ --> ② --> ③ --> ④ --> ② --> ... --> ② 。 - -### 5.4.2 应用示例 - -* 需求：求 1 ~ 100 之内所有偶数的和，以及偶数的个数。 - -```c -#include - -int main() { - - int sum = 0; - int count = 0; - - int i = 1; - do { - if (i % 2 == 0) { - sum += i; - count++; - } - i++; - } while (i <= 100); - - printf("1 ~ 100 中的所有偶数的和为: %d \n", sum); - printf("1 ~ 100 中的所有偶数的个数为: %d \n", count); - - return 0; -} -``` - -### 5.4.3 应用示例 - -* 需求：实现 ATM 取款机功能。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - // 账户余额 - double balance = 0.0; - // 客户选择 - int selection; - // 存款金额 - double addMoney; - // 取款金额 - double minusMoney; - // 退出标识 - bool exitFlag = false; - do { - printf("=========ATM========\n"); - printf("\t1、存款\n"); - printf("\t2、取款\n"); - printf("\t3、显示余额\n"); - printf("\t4、退出\n"); - printf("请选择(1-4)："); - - scanf("%d", &selection); - - switch (selection) { - case 1: - printf("您当前的余额是: %.2f\n", balance); - printf("请输入存款金额："); - scanf("%lf", &addMoney); - balance += addMoney; - printf("存款成功，您当前的余额是：%.2f\n", balance); - break; - case 2: - printf("您当前的余额是: %.2f\n", balance); - printf("请输入取款金额："); - scanf("%lf", &minusMoney); - if (minusMoney > balance) { - printf("余额不足，取款失败。\n"); - } else { - balance -= minusMoney; - printf("取款成功，您的余额为：%.2f\n", balance); - } - break; - case 3: - printf("您的账户余额为：%.2f\n", balance); - break; - case 4: - exitFlag = true; - printf("欢迎下次再来。\n"); - break; - default: - printf("输入有误，请重新输入。\n"); - break; - } - - } while (!exitFlag); - - return 0; -} -``` - -## 5.5 嵌套循环 - -### 5.5.1 概述 - -* 所谓的嵌套循环，是指一个循环结构 A 的循环体是另一个循环结构 B 。例如：for 循环里面还有一个for 循环，就是嵌套循环。 -* 语法： - -```c -for(初始化语句①; 循环条件语句②; 迭代语句⑦) { - for(初始化语句③; 循环条件语句④; 迭代语句⑥) { - 循环体语句⑤; - } -} -``` - -* 其中，for 、while 、do-while 均可以作为外层循环或内层循环。 - - 外层循环：循环结构 A - - 内层循环：循环结构 B - -![](./assets/10.png) - -> [!NOTE] -> -> * ① 实际上，嵌套循环就是将内层循环当成外层循环的循环体。当只有内层循环的循环条件为 false ，才会完全跳出内层循环，才可结束外层的当次循环，开始下一次循环。 -> * ② 假设外层循环次数为 m 次，内层循环次数为 n 次，则内层循环体实际上需要执行 m × n 次。 -> * ③ 从二维图形的角度看，外层循环控制`行数`，内层循环控制`列数`。 -> * ④ 实际开发中，我们最多见到的嵌套循环是两层，一般不会出现超过三层的嵌套循环。如果将要出现，一定要停下来重新梳理业务逻辑，重新思考算法的实现，控制在三层以内；否则，可读性会很差。 - - - -### 5.5.2 应用示例 - -* 需求：打印 5 行 `*` ，要求每行 6 个 `*` 。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 5; ++i) { - for (int j = 1; j < 6; ++j) { - printf("* "); - } - printf("\n"); - } - - return 0; -} - -``` - -### 5.5.3 应用示例 - -* 需求：打印 5 行直角三角形。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 5; ++i) { - for (int j = 1; j <= i; ++j) { - printf("* "); - } - printf("\n"); - } - - return 0; -} -``` - -### 5.5.4 应用示例 - -* 需求：打印 5 行倒直角三角形。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 5; ++i) { - for (int j = 1; j <= 6 - i; ++j) { - printf("* "); - } - printf("\n"); - } - - return 0; -} -``` - -### 5.5.5 应用示例 - -* 需求：打印 9 `×` 9 乘法表。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 9; ++i) { - for (int j = 1; j <= i; ++j) { - printf("%d × %d = %d ", i, j, i * j); - } - printf("\n"); - } - - return 0; -} -``` - -## 5.6 无限循环 - -* 语法： - -```c -while(1){ - ... -} -``` - -```c -for(;;){ - ... -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 在开发中，有的时候并不确定需要循环多少次，就需要根据循环体内部的某些条件，来控制循环的结束（break）。 -> * ② 如果上述的循环结构不能终止，就会构成死循环；所以，在实际开发中，要避免出现死循环！！！ - - - -* 示例：从键盘读入个数不确定的整数，并判断读入的正数和负数的个数，输入为 0 时结束程序 - -```c -#include - -int main() { - - // 记录输入的整数 - int num = 0; - // 记录正数个数 - int positiveCount = 0; - // 记录负数个数 - int negativeCount = 0; - - while (true) { - printf("请输入一个整数："); - scanf("%d", &num); - if (num > 0) { - positiveCount++; - } else if (num < 0) { - negativeCount++; - } else { - printf("程序结束！\n"); - break; - } - } - - printf("正数的个数：%d\n", positiveCount); - printf("负数的个数：%d\n", negativeCount); - - return 0; -} - -``` - -## 5.7 跳转控制语句 - -### 5.7.1 break - -* break 的使用场景：break 语句用于终止某个语句块的执行，用在switch语句或者循环语句中。 - -> [!NOTE] -> -> break 一旦执行，就结束(或跳出)当前循环结构；并且，此关键字的后面，不能声明其它语句。 - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/11.png) - - - -* 示例：打印 0 ~ 10 ，如果遇到 `3` ，就停止打印 - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 0; i < 10; ++i) { - if (i == 3) { - break; - } - printf("%d \n", i); - } - - printf("程序结束！\n"); - - return 0; -} -``` - - - -* 示例：编写程序，要求输入一个数字，判断该数字是否是质数 - -```c -#include - -int main() { - - bool isFlag = false; - int num = 0; - do { - - printf("请输入一个整数（必须大于 1 ）："); - scanf("%d", &num); - - if (num <= 1) { - printf("输入的数字不是合法，请重新输入！！！\n"); - isFlag = true; - } else { - isFlag = false; - } - - } while (isFlag); - - bool isPrime = true; - for (int i = 2; i < num; i++) { - if (num % i == 0) { - isPrime = false; - break; - } - } - if (isPrime) { - printf("%d 是一个质数\n", num); - } else { - printf("%d 不是一个质数\n", num); - } - - printf("程序结束！\n"); - - return 0; -} -``` - -### 5.7.2 continue - -* continue 的使用场景：continue 语句用于结束本次循环，继续执行下一次循环。 - -> [!NOTE] -> -> continue 一旦执行，就结束(或跳出)当次循环结构；并且，此关键字的后面，不能声明其它语句。 - - - -* 流程图，如下所示： - -![](./assets/12.png) - - - -* 示例：打印 0 ~ 10 ，如果遇到 `3` ，就继续下一次打印 - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 0; i < 10; ++i) { - if (i == 3) { - continue; - } - printf("%d \n", i); - } - - printf("程序结束！\n"); - - return 0; -} -``` - - - -* 示例：输出 100 以内（包括 100）的数字，跳过那些 7 的倍数或包含 7 的数字 - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 100; i++) { - if (i % 7 == 0 || i % 10 == 7 || i / 10 == 7) { - continue; - } - printf("%d ", i); - } - - printf("程序结束！\n"); - - return 0; -} -``` - -### 5.7.3 return - -* return ：并非专门用于结束循环的，它的功能是结束一个方法。当一个方法执行到一个 return 语句的时候，这个方法将被结束。 - -> [!NOTE] -> -> 和 break 和 continue 不同的是，return 直接结束整个方法，不管这个 return 处于多少层循环之内。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - for (int i = 1; i <= 100; i++) { - if (i % 7 == 0 || i % 10 == 7 || i / 10 == 7) { - return 0; // 结束整个函数或方法 - } - printf("%d ", i); - } - - printf("程序结束！\n"); - - return 0; -} -``` - diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/12.gif b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/12.gif deleted file mode 100644 index f150246..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/12.gif and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/15.gif b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/15.gif deleted file mode 100644 index 2dbd964..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/15.gif and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/16.gif b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/16.gif deleted file mode 100644 index dbea604..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/16.gif and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/6.gif b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/6.gif deleted file mode 100644 index ab54fbd..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/6.gif and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/7.png b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/7.png deleted file mode 100644 index ab88f98..0000000 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/7.png and /dev/null differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/index.md b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/index.md index 79a6812..e69de29 100644 --- a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/index.md +++ b/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/index.md @@ -1,510 +0,0 @@ -# 第一章：内存泄漏（Memory Leak） - -## 1.1 概述 - -* 有没有过这样的日子，总感觉我们的电脑，不是一个尖端的设备，而像一只疲惫的蜗牛。它在缓慢的爬行，并试图背着重重的楼房去跑马拉松，如下所示： - -![](./assets/1.jpeg) - -> [!NOTE] -> -> 儿歌《蜗牛与黄鹂鸟》的歌词是这样的，如下所示： -> -> * 阿门阿前一棵葡萄树。 -> * 阿嫩阿嫩绿地刚发芽。 -> * 蜗牛背着那重重的壳呀。 -> * 一步一步地往上爬。 -> * 阿树阿上两只黄鹂鸟。 -> * 阿嘻阿嘻哈哈在笑它。 -> * 葡萄成熟还早得很哪。 -> * 现在上来干什么。 -> * 阿黄阿黄鹂儿不要笑。 -> * 等我爬上它就成熟了。 -> -> 虽然歌曲的主旨是想通过蜗牛与黄鹂鸟的对话，表达了努力和坚持的重要性，即使速度慢，只要坚定地往前走，总会达到目标。但是，也从侧面说明了蜗牛的速度真的很慢。 - -* 亦或者，我们的电脑就像一个蹒跚学步的孩子在发脾气，我们多么希望她们耐心点，并配合我们。可是，她们总是拒绝和我们合作，如下所示： - -![](./assets/2.jpg) - -* 如果这些场景，你都感觉很熟悉，那么你很有可能就是`内存泄漏`的受害者。 - -> [!NOTE] -> -> * ① `内存泄漏`虽然不可见，但是它会悄悄的蚕食计算机的性能，让曾经快速的系统变成一台陈旧的机器。 -> * ② 最为糟糕的时，和留下明显迹象的`漏水`不同，`内存泄漏`是不可见的，这使得它们难以识别，甚至难以修复。也正是因为这个特点，让开发人员和计算机用户都感觉头疼。 - -## 1.2 什么是内存泄漏？ - -* 我们可以将我们的计算机想象成一个繁华的城市，城市的`道路`就代表着计算器的`内存`（计算机的内存是有限的，普遍的家用个人台式机电脑最多只支持 `4` 根内存条。如果是 `DDR4` 的话，最多也就支持 `128` GB。就算是服务器，也不是无穷无尽的），在其上运行的`程序`就像`车辆`一样，每辆车都执行各自的任务，如下所示： - -> [!NOTE] -> -> * ① 操作系统或计算机允许程序自己分配内存，并自由使用。并且，当程序执行完自己的任务之后，还可以释放掉内存，将内存还给操作系统或计算机。 -> * ② 需要说明的是，并不是程序结束运行，才会释放掉内存：在 C/C++ 等语言中，是可以在程序执行完任务之后，由程序员手动释放之前申请的内存，即：调用释放内存的函数。而 Java 等 GC 的编程语言，会由 GC 帮助程序员释放内存，当然从理论上讲会有稍许停顿。但是，像 Java 语言中的 ZGC 现在已经可以控制在 10ms 了，人几乎感觉不到！！！ -> * ③ 所谓的`分配内存`，就是程序向计算机或操作系统，申请一块内存空间，然后自己使用。 -> * ④ 所谓的`释放内存`，就是程序告诉计算机或操作系统，不再需要使用之前申请的内存空间，那么就可以将之前申请的内存空间，归还给操作系统或计算机，让其它的程序使用。 -> * ⑤ 上面例子中的`程序`就像`车辆`一样，每辆车都执行各自的任务，类似于程序在执行的时候，向操作系统申请自己的内存空间，并完成自己的任务。 - -![](./assets/3.jpg) - -* 但是，如果有些车辆在完成自己的任务之后，就决定无限期的停在路上，而不是离开。那么，可以想象到的是，随着时间的推移，这些停放的汽车就会开始阻塞城市的道路，减慢交通速度，如下所示： - -![](./assets/4.jpg) - -> [!NOTE] -> -> * ① 需要说明的是，道路或网络的利用率并非越高越好。 -> * ② 如果使用 D0 表示道路或网络空闲时的时延（数据包（或车辆）几乎没有排队，时延 D0 只是基本的传输或行驶时间），而 D 表示道路或网络当前的时延（数据包（或车辆）可能需要排队，这导致了额外的时延，时延 D 是包含了排队时间的总时延），那么在理想的条件下，可以使用如下的表达式来表示 D、D0 以及道路或网络利用率 U 之间的关系，即：$U = \frac{D - D_0}{D}$，经过换算一下，其结果就是：$D = \frac{D_0}{1 - U}$。 -> * ③ 显而易见，道路或网络利用率并不是越大越好，过高的道路或网络利用率会产生非常大的时延。 - -* 由此可见，在极端情况下，这座城市甚至可能陷入停顿。 - -> [!NOTE] -> -> 这实际上就是`内存泄漏`对计算机的影响，即： -> -> * ① 程序可能会变慢，甚至崩溃，特别是在长时间运行的程序中。 -> * ② `内存泄漏`会逐渐耗尽系统内存，造成资源浪费，并导致系统性能下降。 - -* 再或者，在生活中，我们必然需要用水，如果规定每个人一个月的用水量不能超过 `10t`，那么三口之间每个月的用水量就不能超过 `30t`。假设，由于水管老化或小动物（老鼠）的影响，而导致家中的水管产生轻微的破损，产生漏水的现象，如下所示： - -![](./assets/5.jpg) - -* 那么，家中隐藏的漏水问题在很长一段时间内是不会被注意到的。亦或者，假设每个人的用水量都没有限制，那么如果要用到 `30t` ，必然会比之前没有漏水的时候，产生的水费也要多很多。 - -> [!IMPORTANT] -> -> 官方定义：`内存泄漏`是指计算机程序无意中消耗的一种特定类型的内存，其中程序无法释放不再需要或使用的内存（这种内存虽然不再被程序使用，但仍然占据着系统资源），进而导致这些内存无法被系统或其他程序再次使用，随着时间的推荐，会逐渐耗尽系统内存，并最终导致系统性能下降。 - -## 1.3 什么会触发内存泄漏？ - -* 导致`内存泄漏`的原因很多，具体取决于编程语言、平台和特定的应用程序场景。以下是一些最常见的原因： - * ① **未关闭的资源**：未能关闭文件、数据库连接或网络套接字等资源可能会导致`内存泄漏`。如果这些资源保持打开状态，可能会随着时间的推移而累积并消耗大量内存。 - * ② **未释放的对象引用**：保留不再需要的对象引用可以防止垃圾回收器（在具有它们的语言中）回收内存。 - * ③ **循环引用**：在某些语言中，两个相互引用的对象可能会导致两个对象都无法被垃圾回收的情况，即使程序的其他部分没有引用它们。 - * ④ **静态集合**：使用随时间增长而从未清除的静态数据结构可能会导致`内存泄漏`。例如：将元素添加到静态列表而不删除它们可能会导致列表无限增长。 - * ⑤ **事件侦听器**：不分离事件侦听器或回调可能会导致`内存泄漏`，尤其是在 Web 浏览器等环境中。如果对象已附加到事件但不再使用，则不会对其进行垃圾回收，因为该事件仍包含对它的引用。 - * ⑥ **中间件和第三方库**：有时，`内存泄漏`的原因可能不在于应用程序代码，而在于它使用的中间件或第三方库。这些组件中的错误或低效代码可能会导致`内存泄漏`。 - * ⑦ **内存管理不当**：在开发人员手动管理内存的语言，如： C、C++ 中，使用后未能释放内存或使用 “悬空指针” 可能会导致泄漏。 - * ⑧ **内存碎片**：虽然不是传统意义上的泄漏，但碎片会导致内存使用效率低下。随着时间的推移，内存分配之间的小间隙会累积，从而难以分配更大的内存块。 - * ⑨ **孤立线程**：生成但未正确终止的线程可能会消耗内存资源。这些孤立线程会随着时间的推移而累积，尤其是在长时间运行的应用程序中。 - * ⑩ **缓存过度使用**：在没有适当驱逐策略的情况下实施缓存机制可能会导致内存无限消耗，尤其是在缓存无限增长的情况下。 - -* 在 C 语言中，可以使用 `while` 循环并结合 `malloc` 函数来实现一个内存泄漏的例子，即： - -```c -#include -#include - -int main() { - while (true) { // 死循环 - malloc(1024); // 分配1024个字节的内存 - } - return 0; -} -``` - -* 如果我们在 Windows 上运行该程序，就可以打开 Windows 的任务管理器（快捷键是`Ctrl + Shift + ESC`），将会发现内存的使用率在飙升。当然，稍等片刻后程序会被终止，是因为 Windows 的内存管理机制，发现我们的程序占用内存太多，会让它崩溃，防止系统卡死（其它的操作系统也有相应的措施）。 - -![](./assets/6.gif) - -## 1.4 内存泄漏会导致什么后果？ - -* ① **内存使用量增加**：随着泄漏和释放的内存越来越多，整体系统内存使用量会增加。这会减少可用于其他进程和应用程序的内存，从而降低系统速度。 -* ② **增加分页**：随着`内存泄漏`的累积，系统可能会开始将内存内容交换到磁盘以释放 RAM，从而导致更多的磁盘 I/O。这会导致性能降低，因为磁盘操作比内存操作慢得多。 -* ③ **内存不足错误**：如果`内存泄漏`足够多，系统最终可能会完全耗尽可用内存。这可能会导致崩溃、内存分配失败和程序终止。 -* ④ **资源争用**：较高的内存使用率还会导致对缓存和资源（如：CPU 时间等）的更多争用，因为系统尝试管理有限的资源。这会进一步降低性能。 -* ⑤ **应用程序不稳定**：随着内存使用量随着时间的推移而增长，存在`内存泄漏`的应用程序可能会遇到崩溃、意外行为和间歇性故障。这会导致不稳定和可靠性问题。 -* ⑥ **安全风险**：`内存泄漏`会使数据在内存中的延迟时间超过预期。此数据可能包含密码、密钥或其他敏感信息，如果恶意软件或攻击者访问这些信息，则会带来安全风险。 - -## 1.5 检测内存泄漏的工具或技术 - -* ① **分析工具**： - * ① Valgrind：用于构建动态分析工具的检测框架，最有名的 Memcheck 的套件，可以检测 C 和 C++ 程序中的内存泄漏。 - * ② Java VisualVM：适用于 Java 应用程序的监控、故障排除和分析工具。 - * ③ .NET Memory Profiler：用于查找内存泄漏并优化 .NET 应用程序中的内存使用的工具。 - * ④ Golang pprof：该工具可让您收集 Go 程序的 CPU 配置文件、跟踪和堆配置文件。 - -* ② **浏览器开发工具**：Chrome、Firefox 和 Edge 等现代 Web 浏览器附带内置的开发人员工具，可帮助识别 Web 应用程序中的内存泄漏，尤其是 JavaScript 中的内存泄漏。 - -* ③ **静态分析**：Lint、SonarQube 或 Clang Static Analyzer 等工具可以扫描代码以识别可能导致内存泄漏的模式。 - -* ④ **自动化测试**：将内存泄漏检测整合到自动化测试中有助于在开发周期的早期捕获泄漏，如：JUnit（适用于 Java）或 pytest（适用于 Python）等工具可以与内存分析工具集成，以自动执行此过程。 - -* ⑤ **堆分析**：检查应用程序的堆转储，可以深入了解正在消耗内存的对象，如：Eclipse MAT（内存分析器工具）或 Java 堆分析工具 （jhat）等工具可以协助进行此分析。 - -* ⑥ **指标**：实施指标来监控一段时间内的内存使用情况，有助于识别导致内存消耗增加的模式或特定操作，如：Prometheus 和 Grafana 等。 - -* ⑦ **第三方库和中间件**：一些第三方解决方案提供内置的内存泄漏检测功能。如果我们怀疑这些组件可能是泄漏源，则必须查看与这些组件相关的文档或论坛。 -* ⑧ **手动代码审查**：有时，识别内存泄漏的最佳方法是对代码进行彻底的手动审查，尤其是在分配和释放内存的区域中。 -* ⑨ **压力测试**：在高负载或长时间运行应用程序，有助于暴露在正常情况下可能不明显的内存泄漏。 - -## 1.6 如何避免内存泄漏？ - -* ① **及时释放内存**：在程序中，确保在不再需要使用内存时及时释放它。 -* ② **智能指针**：使用智能指针来帮助在 C++ 等编程语言中进行自动内存管理。 -* ③ **将编程语言与垃圾回收器一起使用**：内存分配和释放由 Python 和 Java 等编程语言自动处理，这些语言包含内置的垃圾收集系统。 -* ④ **利用内存管理策略：** 有效的内存管理可以防止内存泄漏。这包括始终监控我们的软件使用了多少内存，并了解何时分配和取消分配内存，即：检测内存泄漏的工具或技术。 - -## 1.7 总结 - -* **内存泄漏**是由于未释放不再使用的内存，导致内存资源逐渐减少，但不会立即导致程序崩溃，而是`长时间`运行后可能出现性能问题或最终崩溃。 - - - -# 第二章：内存溢出（Out Of Memory，OOM） - -## 2.1 概述 - -* 首先，说明一点，在国内的很多文章中，都将 `Out Of Memory（OOM）`翻译为 `内存溢出`，但是本人认为翻译为`内存不足`更为贴切。 -* 在生活中，我们在使用计算机的时候，可能会遇到打开视频网站的时候，视频网站崩溃了，并且在浏览器上显示报错信息`Error Code Out Of Memory`，如下所示： - -![](./assets/7.png) - -* 当然，我们在使用微软办公套件，如：Outlook 的时候，可能也会遇到系统提示 `Out Of Memory`，如下所示： - -![](./assets/8.jpg) - -* 亦或者，我们在打游戏的时候，会遇到系统提示 `Out Of Memory`，如下所示： - -![](./assets/9.png) - -* 上述的种种情景，都表明了内存溢出（内存不足，OOM）是`立即显现`的问题，尤其是当系统无法分配足够内存时，会直接导致程序崩溃或异常。 - -> [!NOTE] -> -> * ① 内存泄漏是一种`逐渐积累`的问题，会耗尽系统内存，可能最终导致内存不足（理解：站着茅坑不拉稀，最终可能导致可用的茅坑越来越少，后面的人就只能等着o(╥﹏╥)o）。 -> * ② 内存溢出（不足）是一种`立即显现`的问题，当系统无法分配足够内存时，会`直接`导致程序崩溃或异常（理解：大象塞进冰箱，冰箱不是无限大，最终可能导致大象身体的一部分露出来，这不就`溢出`吗？换言之，就是冰箱（内存）的容量有限啊，`不`能满`足`实际需要）。 - -> [!IMPORTANT] -> -> 官方定义：当计算机没有足够的内存来执行操作或运行应用程序时，会发生内存不足 （OOM） 错误。此内存可以是`物理 RAM`（随机存取内存） 或`虚拟内存`，它使用磁盘空间扩展物理内存。当系统耗尽可用内存时，它无法再满足`内存分配`请求，从而导致 OOM 错误。此错误表示除非释放或添加内存，否则系统无法处理进一步的需求。 - -## 2.2 什么会触发内存溢出？ - -* 导致`内存溢出`的原因很多，具体取决于编程语言、平台和特定的应用程序场景。以下是一些最常见的原因： - * ① **无限循环或递归**：如果程序中的循环或递归没有正确终止条件，可能会一直运行，消耗掉所有可用内存。 - * ② **内存泄漏**：程序不断分配内存而不释放，最终导致可用内存耗尽。这通常是因为程序在使用完某些数据后，没有正确地释放相关的内存。 - * ③ **处理大数据集**：如果程序试图一次性加载或处理一个超大的数据集，而该数据集的大小超过了系统的可用内存，这可能会导致内存溢出。 - * ④ **资源过度分配**：一些程序在运行时，可能会为某些资源（如缓存、临时数据）分配过多的内存，导致整体系统内存不足。 - * ⑤ **错误的内存管理**：在手动管理内存的编程语言中（如：C 或 C++），如果程序错误地管理内存（如：重复释放、未释放或非法访问内存），也可能引发内存泄漏，进而导致内存溢出。 - * ⑥ **并发操作**：如果多个进程或线程并发地进行大量内存分配操作，且这些操作没有得到有效控制，也可能导致系统内存被耗尽。 - * ⑦ **外部库或工具的 Bug**：使用的第三方库或工具中存在内存管理相关的 bug，也可能导致内存溢出。 - -## 2.3 如何避免内存溢出？ - -* ① **优化数据处理**： - * 分块处理大数据集：如果需要处理大数据集，可以将数据分块处理，而不是一次性加载整个数据集到内存中。例如：处理大型文件时，可以逐行读取或分批读取。 - * 使用流式处理：对于需要处理大量数据的操作，可以采用流式处理（streaming），这样只保留当前处理的部分数据在内存中，而非全部数据。 -* ② **管理对象生命周期**： - * 及时释放不再使用的对象：在使用动态分配内存的编程语言（如：C++、C#、Java 等）时，确保在对象不再需要时及时释放内存。即使在使用垃圾回收机制的语言（如：Java、Python），也要尽量避免保留对不必要对象的引用，以便垃圾回收器可以及时清理它们。 - * 使用智能指针或自动内存管理：在手动管理内存的编程语言中，使用智能指针（如：C++中的`std::unique_ptr`或`std::shared_ptr`）来自动管理内存，减少内存泄漏的风险。 -* ③ **优化算法**： - * 选择更高效的算法：对于需要大量计算或数据处理的任务，选择内存占用更少的算法。例如：尽量使用原地（in-place）算法，它们不需要额外的内存空间。 - * 减少冗余数据：避免在内存中存储冗余数据，尽可能在计算过程中利用已有的数据结构，避免重复分配相同的数据。 -* ④ **监控和调试**： - * 使用内存分析工具：在开发过程中，使用内存分析工具（如：Valgrind、VisualVM、Py-Spy等）来监控程序的内存使用情况，查找和修复内存泄漏或不必要的内存分配。 - * 设置内存使用限制：在某些环境中，可以设置程序的最大内存使用量，这样当程序达到内存限制时，可以捕捉并处理内存溢出的情况。 -* ⑤ **避免无限循环和递归** - - 设置循环或递归的终止条件：确保所有循环和递归都有明确的终止条件，避免因逻辑错误导致无限执行，从而耗尽内存。 - - 使用尾递归优化：在支持尾递归优化的语言中，尽量使用尾递归，以减少递归调用带来的内存消耗。 -* ⑥ **并发编程中的内存管理**： - * 控制并发操作的内存分配：在并发编程中，尽量避免多个线程或进程同时大量分配内存。可以通过任务分配、锁机制等方式合理控制并发操作的内存使用。 - * 避免死锁：确保在并发编程中避免死锁情况，因为死锁可能会导致内存资源无法被释放，从而引发内存溢出。 -* ⑦ **使用适当的数据结构**： - * 选择合适的数据结构：根据需要选择内存效率更高的数据结构。例如，使用数组而不是链表来存储连续的数据，使用哈希表来提高查找效率等。 - * 避免不必要的缓存：在程序中使用缓存时，确保缓存的大小是合理的，并且有清理机制，防止缓存占用过多内存。 - -> [!NOTE] -> -> 避免内存溢出通常需要良好的内存管理实践，如：优化数据处理算法、合理控制资源分配、以及定期检查和释放不再使用的内存。 - -## 2.4 总结 - -* `内存溢出`则是由于内存资源耗尽，程序试图分配新内存时失败，通常会导致程序的`立即`崩溃或异常终止。 - - - -# 第三章：内存泄漏 VS 内存溢出 - -## 3.1 概述 - -* `内存泄漏`是由于未释放不再使用的内存导致内存资源逐渐减少，但不会立即导致程序崩溃，而是长时间运行后可能出现性能问题或最终崩溃。 -* `内存溢出`则是由于内存资源耗尽，程序试图分配新内存时失败，通常会导致程序的立即崩溃或异常终止。 - -> [!NOTE] -> -> * ① `内存泄漏`和`内存溢出`都与内存管理不当有关，但它们发生的机制和直接影响是不同的。 -> * ② 避免`内存泄漏`和`内存溢出`都是编写高效、可靠软件的重要方面。 - -## 3.2 内存泄漏和内存溢出的联系和区别 - -> [!IMPORTANT] -> -> `内存泄漏`和`内存溢出`之间并不是必然的因果关系，而是两者可能会相互影响。 -* ① `内存泄漏`导致`内存溢出`的可能性： - * 如果一个程序长期运行并且持续发生`内存泄漏`，未被释放的内存会慢慢积累，最终占用系统的大部分内存资源。如果`内存泄漏`严重到占用了所有可用内存，那么程序就会因为无法再分配新的内存，而出现`内存溢出`（Out of Memory）的情况。 - * 因此，`内存泄漏`可以**间接**地导致`内存溢出`，特别是在长时间运行的程序或系统中。 -* ② `内存泄漏`和`内存溢出`的区别： - * `内存泄漏`是指程序持续占用内存却不释放，导致可用内存逐渐减少。这种情况可能会在`长时间`内不显现问题，特别是如果程序只泄漏了少量内存。 - * `内存溢出`则是一个更`急剧`的问题，它通常在程序尝试分配超过系统可用内存的大块内存时`立刻`发生，导致程序崩溃或异常终止。 -* ③ 不必然性： - * 一个程序可能会发生`内存泄漏`，但因为泄漏的内存量很小，系统资源丰富，所以在短时间内不会出现`内存溢出`。 - * `内存溢出`也可以在没有`内存泄漏`的情况下发生，如：一个程序需要处理非常大的数据集，直接导致内存不足。 -> [!IMPORTANT] -> -> * ① `内存泄漏`有可能会在长时间积累后导致`内存溢出`，但这并不是必然的。 -> * ② `内存溢出`可以在多种情况下发生，而`内存泄漏`只是其中可能的一个诱因。 -> * ③ 因此，虽然`内存泄漏`可能最终引发`内存溢出`，但两者之间并非每次都是直接关联的。 - - - -# 第四章：内存泄漏检测和性能分析（⭐） - -## 4.1 内存泄漏检测 - -### 4.1.1 概述 - -* C 语言中的指针是否使用是个颇具争议的话题，现代化的高级编程语言通过各种策略和机制，在编译期就能解决指针危险的问题。但是，遗憾的是，C 语言的指针很大程度上，在运行期才会暴露问题。 -* 幸运的是，我们可以使用 `Valgrind` 项目来进行`内存泄漏检测`和`性能分析`，而 `Valgrind` 只支持 Linux 。 - -### 4.1.2 安装 - -* 在 WSL2 上安装 Valgrind ： - -```shell -dnf -y upgrade && dnf -y install valgrind # AlmaLinux -``` - -```shell -apt -y update && apt -y upgrade && apt -y install valgrind # Ubuntu -``` - -![](./assets/10.gif) - -* 查看 valgrind 可执行文件的安装位置： - -```shell -which valgrind -``` - -![](./assets/11.gif) - -### 4.1.3 整合 - -* CLion 中将工具链设置为 WSL2 ： - -![](./assets/12.gif) - -* CLion 中配置 valgrind 的路径： - -![](./assets/13.png) - -* 查看 WSL2 中 cmake 的版本： - -```shell -cmake --version -``` - -![](./assets/14.png) - -* 修改项目中 CMakeLists.txt 中 cmake 的版本： - -```{1} txt -cmake_minimum_required(VERSION 3.26.5) # 3.26.5 - -# 项目名称和版本号 -project(c-study VERSION 1.0 LANGUAGES C) - -# 设置 C 标准 -set(CMAKE_C_STANDARD 23) -set(CMAKE_C_STANDARD_REQUIRED True) - -# 辅助函数，用于递归查找所有源文件 -function(collect_sources result dir) - file(GLOB_RECURSE new_sources "${dir}/*.c") - set(${result} ${${result}} ${new_sources} PARENT_SCOPE) -endfunction() - -# 查找顶层 include 目录（如果存在） -if (EXISTS "${CMAKE_SOURCE_DIR}/include") - include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/include) -endif () - -# 查找所有源文件 -set(SOURCES) -collect_sources(SOURCES ${CMAKE_SOURCE_DIR}) - -# 用于存储已经处理过的可执行文件名，防止重复 -set(EXECUTABLE_NAMES) - -# 创建可执行文件 -foreach (SOURCE ${SOURCES}) - # 获取文件的相对路径 - file(RELATIVE_PATH REL_PATH ${CMAKE_SOURCE_DIR} ${SOURCE}) - # 将路径中的斜杠替换为下划线，生成唯一的可执行文件名 - string(REPLACE "/" "_" EXECUTABLE_NAME ${REL_PATH}) - string(REPLACE "\\" "_" EXECUTABLE_NAME ${EXECUTABLE_NAME}) - string(REPLACE "." "_" EXECUTABLE_NAME ${EXECUTABLE_NAME}) - - # 处理与 CMakeLists.txt 文件同名的问题 - if (${EXECUTABLE_NAME} STREQUAL "CMakeLists_txt") - set(EXECUTABLE_NAME "${EXECUTABLE_NAME}_exec") - endif () - - # 检查是否已经创建过同名的可执行文件 - if (NOT EXECUTABLE_NAME IN_LIST EXECUTABLE_NAMES) - list(APPEND EXECUTABLE_NAMES ${EXECUTABLE_NAME}) - - # 链接 math 库 - LINK_LIBRARIES(m) - - # 创建可执行文件 - add_executable(${EXECUTABLE_NAME} ${SOURCE}) - - # 查找源文件所在的目录，并添加为包含目录（头文件可能在同一目录下） - get_filename_component(DIR ${SOURCE} DIRECTORY) - target_include_directories(${EXECUTABLE_NAME} PRIVATE ${DIR}) - - # 检查并添加子目录中的 include 目录（如果存在） - if (EXISTS "${DIR}/include") - target_include_directories(${EXECUTABLE_NAME} PRIVATE ${DIR}/include) - endif () - - # 检查并添加 module 目录中的所有 C 文件（如果存在） - if (EXISTS "${DIR}/module") - file(GLOB_RECURSE MODULE_SOURCES "${DIR}/module/*.c") - target_sources(${EXECUTABLE_NAME} PRIVATE ${MODULE_SOURCES}) - endif () - endif () -endforeach () -``` - -* 在 CLion 中正常运行代码： - -![](./assets/15.gif) - -* 在 CLion 中通过 valgrind 运行代码： - -![](./assets/16.gif) - -## 4.2 性能分析 - -### 4.2.1 概述 - -* `perf` 是一个 Linux 下的性能分析工具，主要用于监控和分析系统性能。它可以帮助开发者和系统管理员了解系统中哪些部分在消耗资源、识别性能瓶颈以及分析程序的运行效率。 - -### 4.2.2 安装 - -#### 4.2.2.1 AlmaLinux9 - -* 在 WSL2 中的 AlmaLinux 安装 perf ： - -```shell -dnf -y install perf -``` - -![](./assets/17.gif) - -#### 4.2.2.2 Ubuntu 22.04 - -* 在 WSL2 中的 Ubuntu 安装 perf ： - -```shell -apt -y update \ - && apt -y install linux-tools-common \ - linux-tools-generic linux-tools-$(uname -r) -``` - -![](./assets/18.gif) - -> [!NOTE] -> -> 之所以报错的原因，在于 WSL2 中的 Ubuntu 的内核是定制化的（微软自己维护的），并非 Ubuntu 的母公司 Canonical 发布的标准内核，所以需要我们手动编译安装。 - -* 查看内核版本： - -```shell -uname -sr -``` - -![](./assets/19.gif) - -* 设置环境变量，方便后续引用： - -```shell -export KERNEL_VERSION=$(uname -r | cut -d'-' -f1) -``` - -![](./assets/20.gif) - -* 安装依赖库： - -```shell -apt -y update && \ - apt -y install binutils-dev debuginfod default-jdk \ - default-jre libaio-dev libbabeltrace-dev libcap-dev \ - libdw-dev libdwarf-dev libelf-dev libiberty-dev \ - liblzma-dev libnuma-dev libperl-dev libpfm4-dev \ - libslang2-dev libssl-dev libtraceevent-dev libunwind-dev \ - libzstd-dev libzstd1 python3-setuptools python3 \ - python3-dev systemtap-sdt-dev zlib1g-dev bc dwarves \ - bison flex libnewt-dev libdwarf++0 \ - libelf++0 libbfb0-dev python-dev-is-python3 -``` - -![](./assets/21.gif) - -* 下载源码： - -```shell -git clone \ - --depth 1 \ - --single-branch --branch=linux-msft-wsl-${KERNEL_VERSION} \ - https://github.com/microsoft/WSL2-Linux-Kernel.git -``` - -![](./assets/22.gif) - -* 编译内核代码： - -```shell -cd WSL2-Linux-Kernel -``` - -```shell -make -j $(nproc) KCONFIG_CONFIG=Microsoft/config-wsl -``` - -![](./assets/23.gif) - -* 编译 perf 工具： - -```shell -cd tools/perf -``` - -```shell -make clean && make -``` - -![](./assets/24.gif) - -* 复制到 PATH 变量所指向的路径中： - -```shell -cp perf /usr/bin/ -``` - -![](./assets/25.gif) - -### 4.2.3 整合 - -* CLion 中配置 perf 的路径： - -![](./assets/26.png) - -* 在 CLion 中通过 perf 运行代码： - -![](./assets/27.gif) diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/1.jpg b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/1.jpg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/1.jpg rename to docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/1.jpg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/10.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/10.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/07_xdx/assets/10.png rename to docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/10.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/11.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/11.png index def1d93..b62106c 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/11.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/11.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/12.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/12.png index d286f2d..ecc4ca8 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/12.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/12.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/2.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/2.png index e4c8b48..41e6842 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/2.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/2.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/3.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/3.png index 37855ed..ac4ce8f 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/3.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/3.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/4.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/4.png index d1585cc..bf6744a 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/4.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/4.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/5.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/5.png index fa02af1..d46ad4c 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/5.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/5.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/6.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/6.png index 85274bf..edadccb 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/6.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/6.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/7.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/7.png index ffda4ca..de0e958 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/7.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/7.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/8.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/8.png index b038a16..46839fe 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/8.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/8.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/9.png b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/9.png index f61e018..b24eaa6 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/9.png and b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/9.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/index.md b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/index.md index 2eda323..6b55119 100644 --- a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/index.md +++ b/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/index.md @@ -1,104 +1,83 @@ -# 第一章：数组的概念 +# 第一章：概述 -## 1.1 为什么需要数组？ +* `流程控制结构`是用来控制程序中`各语句执行顺序`的语句，并且可以将语句组合成能`完成一定功能`的`小逻辑模块`。 +* 在程序设计中规定了`三种`流程结构，如下所示： + * `顺序结构`：程序从上到下逐行执行，中间没有任何判断和跳转。 + * `分支结构`：根据条件，有选择的执行某段代码。在 C 语言中，有 `if...else` 和 `switch...case` 两种分支语句。 + * `循环结构`：根据循环条件，重复性的执行某段代码。在 C 语言中，有 `for`、`while`、`do...while` 三种循环结构。 -### 1.1.1 需求分析 1 +* 在生活中的`洗衣工厂`，就包含了上述的三种流程结构，如下所示： -* 需要统计某公司 50 个员工的工资情况，例如：计算平均工资、最高工资等。如果使用之前的知识，我们需要声明 50 个变量来分别记录每位员工的工资，即： +![](./assets/1.jpg) -```c -#include -int main(){ - - double num1 = 0; - double num2 = 0; - double num3 = 0; - ... - printf("请输入第 1 个员工的工资："); - scanf("%lf",&num1); - printf("请输入第 2 个员工的工资："); - scanf("%lf",&num2); - printf("请输入第 3 个员工的工资："); - scanf("%lf",&num3); - ... - return 0; -} -``` -* 这样会感觉特别机械和麻烦（全是复制（Ctrl + c）和粘贴（Ctrl + v），CV 大法）；此时，我们就可以将所有的`数据`全部存储到一个`容器（数组）`中进行统一管理，并进行其它的操作，如：求最值、求平均值等，如下所示： +# 第二章：顺序结构 -```c -#include +## 2.1 概述 -int main(){ - // 声明数组 - double nums[50]; - // 数组的长度 - int length = sizeof(nums) / sizeof(double); - // 使用 for 循环向数组中添加值 - for(int i = 0;i < length;i++){ - printf("请输入第 &d 个员工的工资：",i); - scanf("%lf",&num[i]); - } - // 其它操作，如：求最值，求平均值等 - ... - return 0; -} -``` - -### 1.1.2 需求分析 2 - -* 在现实生活中，我们会使用很多 APP 或微信小程序等，即： - -![](./assets/1.png) - -* 同样的道理，如果我们使用变量来存储每个商品信息，那么就需要非常多的变量；但是，如果我们将这些`商品信息`都存储到一个`容器（数组）`中，进行统一管理；那么，之后的数据处理将会非常方便。 - -### 1.1.3 容器的概念 - -* `生活中的容器`：水杯（装水、饮料的容器）、衣柜（装衣服等物品的容器）、集装箱（装货物等物品的容器）。 -* `程序中的容器`：将多个数据存储到一起，并且每个数据称为该容器中的元素。 - -## 1.2 什么是数组？ - -* 数组（Array）是将多个`相同数据类型`的`数据`按照一定的顺序排序的`集合`，并使用一个`标识符`命名，以及通过`编号（索引，亦称为下标）`的方式对这些数据进行统一管理。 +* 程序从上到下逐行地执行，表达式语句都是顺序执行的，并且上一行对某个变量的修改对下一行会产生影响。 ![](./assets/2.png) -## 1.3 数组的相关概念 +## 2.2 应用示例 -* `数组名`：本质上是一个标识符常量，命名需要符合标识符规则和规范。 -* `元素`：同一个数组中的元素必须是相同的数据类型。 -* `索引（下标）`：从 0 开始的连续数字。 -* `数组的长度`：就是元素的个数。 +* 示例： -## 1.4 数组的特点 +```c +#include -* ① 创建数组的时候，会在内存中开辟一整块`连续的空间`，占据空间的大小，取决于数组的长度和数组中元素的类型。 -* ② 数组中的元素在内存中是依次紧密排列且有序的。 -* ③ 数组一旦初始化完成，且长度就确定的，并且`数组的长度一旦确定，就不能更改`。 -* ④ 我们可以直接通过索引（下标）来获取指定位置的元素，速度很快。 -* ⑤ 数组名中引用的是这块连续空间的首地址。 +int main() { + + int x = 1; + int y = 2; + printf("x = %d \n", x); // x = 1 + printf("y = %d \n", y); // y = 2 + + // 对 x 和 y 的值进行修改 + x++; + y = 2 * x + y; + x = x * 10; + + printf("x = %d \n", x); // x = 20 + printf("y = %d \n", y); // y = 6 + + return 0; +} +``` -# 第二章：数组的操作（⭐） -## 2.1 数组的定义 +# 第三章：分支结构（⭐） -### 2.1.1 动态初始化 +## 3.1 概述 + +* 根据特定条件执行不同的代码块，从而实现灵活的程序控制和更复杂的逻辑。 + +## 3.2 单分支结构 + +### 3.2.1 概述 * 语法： ```c -数据类型 数组名[元素个数|长度]; +if(条件表达式){ + 语句; +} ``` > [!NOTE] > -> * ① 数据类型：表示的是数组中每一个元素的数据类型。 -> * ② 数组名：必须符合标识符规则和规范。 -> * ③ 元素个数或长度：表示的是数组中最多可以容纳多少个元素（不能是负数、也不能是 0 ）。 +> * ① 在 C 语言中，严格意义上是没有 boolean 类型的，使用`非0` 表示`真（true）`，`0` 表示`假（false）`。 +> * ② 当条件表达式为真（`非0` ），就会执行代码块中的语句；否则，就不会执行代码块中的语句。 + +* 流程图，如下所示： + +![](./assets/3.png) + +### 3.2.2 应用示例 + +* 需求：成年人心率的正常范围是每分钟 60~100 次。体检时，如果心率不在此范围内，则提示需要做进一步的检查。 @@ -109,87 +88,198 @@ int main(){ int main() { - // 先指定元素的个数和类型，再进行初始化 + int heartBeats = 0; + printf("请输入您的心率："); + scanf("%d", &heartBeats); - // 定义数组 - int arr[3]; + if (heartBeats < 60 || heartBeats > 100) { + printf("您的心率不在正常范围内，请做进一步的检查。\n"); + } - // 给数组元素赋值 - arr[0] = 10; - arr[1] = 20; - arr[2] = 30; + printf("体检结束！！！"); return 0; } ``` -### 2.1.2 静态初始化 1 +### 3.2.3 应用示例 + +* 需求：根据年龄判断，如果是未成年人，则提示 "未成年人请在家长陪同下访问！" 。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + int age = 0; + printf("请输入你的年龄："); + scanf("%d", &age); + + if (age < 18) { + printf("未成年人请在家长陪同下访问！\n"); + } + + printf("欢迎继续访问！"); + + return 0; +} +``` + +## 3.3 双分支结构 + +### 3.3.1 概述 * 语法： ```c -数据类型 数组名[元素个数|长度] = {元素1,元素2,...} +if(条件表达式) { + 语句块1; +}else { + 语句块2; +} ``` > [!NOTE] > -> * ① 静态部分初始化：如果数组初始化的元素个数`小于`数组声明的长度，那么就会从数组开始位置依次赋值，不够的就补 0 。 -> * ② 静态全部初始化：数组初始化的元素个数`等于`数组的长度。 +> * ① 在 C 语言中，严格意义上是没有 boolean 类型的，使用`非0` 表示`真（true）`，`0` 表示`假（false）`。 +> * ② 当条件表达式为真（`非0` ），就会执行代码块 1 中的语句；否则，执行代码块 2 中的语句。 -> [!TIP] -> -> 在 CLion 中开启`嵌入提示（形参名称-->显示数组索引的提示）`功能，即： -> -> ![](./assets/3.png) -> -> 这样，在 CLion 中，将会显示数组初始化时每个元素对应的索引，即： -> -> ![](./assets/4.png) +* 流程图，如下所示： + +![](./assets/4.png) + +### 3.3.2 应用示例 + +* 需求：判断一个整数，是奇数还是偶数。 -* 示例：静态部分初始化 +* 示例： ```c #include int main() { - // 定义数组和部分初始化： - // 会将给定的值从数组的开始位置一个个的赋值，没有赋值的地方，用 0 填充 - int arr[5] = {1, 2}; + int num = 0; + printf("请输入一个整数："); + scanf("%d", &num); + + if (num % 2 == 0) { + printf("%d 是偶数\n", num); + } else { + printf("%d 是奇数\n", num); + } return 0; } ``` +### 3.3.2 应用示例 + +* 需求：输入年龄，如果大于18岁，则输出 "你年龄大于18，要对自己的行为负责!"；否则，输出 "你的年龄不大这次放过你了。" -* 示例：静态全部初始化 + +* 示例： ```c #include int main() { - // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 - int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; + int age = 0; + printf("请输入年龄："); + scanf("%d", &age); + + if (age > 18) { + printf("你年龄大于18，要对自己的行为负责!\n"); + } else { + printf("你的年龄不大，这次放过你了!\n"); + } return 0; } ``` -### 2.1.3 静态初始化 2 +### 3.3.3 应用示例 + +* 需求：判定某个年份是否为闰年？ + +>[!NOTE] +> +>* ① year 是 400 的整倍数： year%400==0 +>* ② 能被 4 整除，但不能被 100 整除：year % 4 == 0 && year % 100 != 0 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + int year = 0; + printf("请输入年份："); + scanf("%d", &year); + + if (year % 400 == 0 || (year % 4 == 0 && year % 100 != 0)) { + printf("%d 是闰年\n", year); + } else { + printf("%d 不是闰年\n", year); + } + + return 0; +} +``` + +## 3.4 多重分支结构 + +### 3.4.1 概述 * 语法： ```c -数据类型 数组名[] = {元素1,元素2,...} +if (条件表达式1) { + 语句块1; +} else if (条件表达式2) { + 语句块2; +} +... +} else if (条件表达式n) { + 语句块n; +} else { + 语句块n+1; +} ``` > [!NOTE] > -> 没有给出数组中元素的个数，将由系统根据初始化的元素，自动推断出数组中元素的个数。 +> * ① 在 C 语言中，严格意义上是没有 boolean 类型的，使用`非0` 表示`真（true）`，`0` 表示`假（false）`。 +> * ② 首先判断关系表达式 1 的结果是真（值为 `非0`）还是假（值为 `0`）： +> * 如果为真，就执行语句块 1，然后结束当前多分支。 +> * 如果是假，就继续判断条件表达式 2，看其结果是真还是假。 +> * 如果是真，就执行语句块 2，然后结束当前多分支。 +> * 如果是假，就继续判断条件表达式…看其结果是真还是假。 +> * ... +> * 如果没有任何关系表达式为真，就执行语句块 n+1，然后结束当前多分支。 +> * ③ 当条件表达式之间是`互斥`（彼此之间没有交集）关系时，条件判断语句及执行语句间顺序无所谓。 +> * ④ 当条件表达式之间是`包含`关系时，必须`小上大下 / 子上父下`，否则范围小的条件表达式将不可能被执行。 +> * ⑤ 当 if-else 结构是多选一的时候，最后的 else 是可选的，可以根据需要省略。 +> * ⑥ 如果语句块中只有一条执行语句的时候，`{}`是可以省略的；但是，强烈建议保留！！！ + +* 流程图，如下所示： + +![image-20240722075241253](./assets/5.png) + +### 3.4.1 应用示例 + +* 需求：张三参加考试，他和父亲达成协议，如果成绩不到 60 分没有任何奖励；如果成绩 60分（含）到 80 分，奖励一个肉夹馍；如果成绩 80 分（含）到 90 分，奖励一个 ipad；如果成绩 90 分及以上，奖励一部华为 mate60 pro 。 @@ -200,28 +290,33 @@ int main() { int main() { - // 指定元素的类型，不指定元素个数，同时进行初始化 - int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; + int score = 0; + printf("请输入分数："); + scanf("%d", &score); + + // 容错：分数不可能小于 0 或大于 100 + if (score < 0 || score > 100) { + printf("输入的分数有误！\n"); + return 0; + } + + if (score >= 90) { + printf("奖励你一部华为 mate60 pro\n"); + } else if (score >= 80) { + printf("奖励你一个 ipad\n"); + } else if (score >= 60) { + printf("奖励你一个肉夹馍\n"); + } else { + printf("你的成绩不及格，没有任何奖励！"); + } return 0; } ``` -### 2.1.4 静态初始化 3 +### 3.4.2 应用示例 -* 在 C 语言中，也可以只给部分元素赋值。当 {} 中的值少于元素的个数的时候，只会给前面的部分元素赋值，至于剩下的元素就会自动初始化为 0 。 - -```c -int arr[10] = {1,2,3,4,5}; -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 数组 `arr` 在内存中开辟了 `10` 个连续的内存空间，但是只会给前 `5` 个内存空间赋值初始化值，即：`arr[0] ~ arr[4]` 分别是 `1`、`2`、`3`、`4`、`5`，而 `arr[5] ~ arr[9]` 就会被自动初始化为 `0` 。 -> * ② 当赋值的元素少于数组总体元素的时候，剩余的元素自动初始化为 `0`，其规则如下： -> * 对于 `short`、`int`、`long`，就是整数 `0`。 -> * 对于 `char`，就是字符 `'\0'`。需要注意的是，`'\0'` 的十进制数就是 `0` 。 -> * 对于 `float`、`double`，就是小数 `0.0`。 +* 需求：判断水的温度，如果大于 95℃，则打印 "开水"；如果大于 70℃ 且小于等于 95℃，则打印 "热水"；如果大于 40℃ 且小于等于 70℃，则打印 "温水"；如果小于等于 40℃，则打印 "凉水"。 @@ -229,186 +324,66 @@ int arr[10] = {1,2,3,4,5}; ```c #include -int main() { - int arr[10] = {1, 2, 3, 4, 5}; - printf("arr[0] = %d \n", arr[0]); // arr[0] = 1 - printf("arr[1] = %d \n", arr[1]); // arr[1] = 2 - printf("arr[2] = %d \n", arr[2]); // arr[2] = 3 - printf("arr[3] = %d \n", arr[3]); // arr[3] = 4 - printf("arr[4] = %d \n", arr[4]); // arr[4] = 5 - printf("arr[5] = %d \n", arr[5]); // arr[5] = 0 - printf("arr[6] = %d \n", arr[6]); // arr[6] = 0 - printf("arr[7] = %d \n", arr[7]); // arr[7] = 0 - printf("arr[8] = %d \n", arr[8]); // arr[8] = 0 - printf("arr[9] = %d \n", arr[9]); // arr[9] = 0 +int main() { + + int temperature = 0; + printf("请输入水的温度："); + scanf("%d", &temperature); + + if (temperature > 95) { + printf("开水 \n"); + } else if (temperature > 70 && temperature <= 95) { + printf("热水 \n"); + } else if (temperature > 40 && temperature <= 70) { + printf("温水 \n"); + } else { + printf("凉水 \n"); + } return 0; } ``` +## 3.5 多重分支结构 switch - -## 2.2 访问数组元素 +### 3.5.1 概述 * 语法： ```c -数组名[索引|下标]; +switch(表达式){ + case 常量值1: + 语句块1; + //break; + case 常量值2: + 语句块2; + //break; + ... + + case 常量值n: + 语句块n; + //break; + [default: + 语句块n+1; + ] +} ``` > [!NOTE] > -> 假设数组 `arr` 有 n 个元素，如果使用的数组的下标 `< 0` 或 `> n-1` ，那么将会产生数组越界访问，即超出了数组合法空间的访问；那么，数组的索引范围是 `[0,arr.length - 1]`。 +> * ① switch 后面表达式的值必须是一个整型（char、short、int、long 等）或枚举类型。 +> * ② case 后面的值必须是常量，不能是变量。 +> * ③ default 是可选的，当没有匹配的 case 的时候，就执行 default 。 +> * ④ break 语句可以使程序跳出 switch 语句块，如果没有 break，会执行下一个 case 语句块，直到遇到 break 或者执行到 switch 结尾，这个现象称为穿透。 - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 先指定元素的个数和类型，再进行初始化 - - // 定义数组 - int arr[3]; - - // 给数组元素赋值 - arr[0] = 10; - arr[1] = 20; - arr[2] = 30; - - // 访问数组元素 - printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 10 - printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 20 - printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 30 - - return 0; -} -``` - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义数组和部分初始化： - // 会将给定的值从数组的开始位置一个个的赋值，没有赋值的地方，用 0 填充 - int arr[5] = {1, 2}; - - // 访问数组元素 - printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 - printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 - printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 0 - printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 0 - printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 0 - - return 0; -} -``` - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 指定元素的类型，不指定元素个数，同时进行初始化 - int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; - - // 访问数组元素 - printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 - printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 - printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 3 - printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 4 - printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 5 - - return 0; -} -``` - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 - int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; - - // 访问数组元素 - printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 - printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 - printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 3 - printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 4 - printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 5 - - return 0; -} -``` - -## 2.3 数组越界 - -* 数组下标必须在指定范围内使用，超出范围视为越界。 - -![](./assets/5.png) - -> [!NOTE] -> -> * ① C 语言是不会做数组下标越界的检查，并且编译器也不会报错；但是，编译器不报错，并不意味着程序就是正确！ -> * ② 在其它高级编程语言，如：Java、JavaScript、Rust 等中，如果数组越界访问，编译器是会直接报错的！！！ - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 - int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; - - // 访问数组元素 - printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 - printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 - printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 3 - printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 4 - printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 5 - printf("arr[-1] = %d\n", arr[-1]); // 得到的是不确定的结果 - printf("arr[5] = %d\n", arr[5]); // 得到的是不确定的结果 - - return 0; -} -``` - -## 2.4 计算数组的长度 - -* 数组长度（元素个数）是在数组定义的时候明确指定且固定的，我们不能在运行的时候直接获取数组长度；但是，我们可以通过 sizeof 运算符间接计算出数组的长度。 -* 计算步骤，如下所示： - * ① 使用 sizeof 运算符计算出整个数组的字节长度。 - * ② 由于数组成员是同一数据类型；那么，每个元素的字节长度一定相等，那么`数组的长度 = 整个数组的字节长度 ÷ 单个元素的字节长度 `。 +* 流程图，如下所示： ![](./assets/6.png) -> [!NOTE] -> -> * ① 在很多编程语言中，都内置了获取数组的长度的属性或方法，如：Java 中的 arr.length 或 Rust 的 arr.len()。 -> * ② 但是，C 语言没有内置的获取数组长度的属性或方法，只能通过 sizeof 运算符间接来计算得到。 -> * ③ 数组一旦`声明`或`定义`，其`长度`就`固定`了，`不能动态变化`。 +### 3.5.2 应用示例 + +* 需求：编写一个程序，该程序可以接收一个字符，比如：a、b、c、d；其中， a 表示星期一，b 表示星期二…，根据用户的输入显示相应的信息，要求使用 switch 语句。 @@ -419,183 +394,286 @@ int main() { int main() { - // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 - int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; + char chs; + printf("请输入一个字符（a、b、c、d）："); + scanf("%c", &chs); - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - - // 遍历数组 - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d \n", arr[i]); + switch (chs) { + case 'a': + printf("今天是星期一 \n"); + printf("窗前明月光 \n"); + break; + case 'b': + printf("今天是星期二 \n"); + printf("疑是地上霜 \n"); + break; + case 'c': + printf("今天是星期三 \n"); + printf("举头望明月 \n"); + break; + case 'd': + printf("今天是星期四 \n"); + printf("低头思故乡 \n"); + break; + default: + printf("输入错误！"); + break; } return 0; } ``` -## 2.5 遍历数组 +### 3.5.3 应用示例 -* 遍历数组是指按顺序访问数组中的每个元素，以便读取或修改它们，编程中一般使用循环结构对数组进行遍历。 +* 需求：编写程序，输入月份，输出该月份有多少天。说明：1 月、3 月、5 月、7月、8 月、10 月、12 月有 31 天，4 月、6 月、9 月、11 月有 30 天，2 月有 28 天或 29 天。 -* 示例：声明一个存储有 12、2、31、24、15、36、67、108、29、51 的数组，并遍历数组所有元素 +* 示例： ```c #include int main() { - // 定义数组并初始化 - int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, 36, 67, 108, 29, 51}; + int month; + printf("请输入月份 (1-12)："); + scanf("%d", &month); - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); - - // 遍历数组 - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d\n", arr[i]); + switch (month) { + case 1: + case 3: + case 5: + case 7: + case 8: + case 10: + case 12: + printf("%d 月有 31 天\n", month); + break; + case 4: + case 6: + case 9: + case 11: + printf("%d 月有 30 天\n", month); + break; + case 2: + printf("%d 月有 28 天或 29 天\n", month); + break; + default: + printf("输入错误！"); + break; } return 0; } ``` +### 3.5.4 switch 和 if else if 的比较 + +* ① 如果判断条件是判等，而且符合整型、枚举类型，虽然两个语句都可以使用，建议使用 swtich 语句。 +* ② 如果判断条件是区间判断，大小判断等，使用 if...else...if。 + +## 3.6 嵌套分支 + +### 3.6.1 概述 + +* 嵌套分支是指，在一个分支结构中又嵌套了另一个分支结构，里面的分支的结构称为内层分支，外面的分支结构称为外层分支。 + +> [!NOTE] +> +> 嵌套分支层数不宜过多，建议最多不要超过 3 层。 + +### 3.6.2 应用示例 + +* 需求：根据淡旺季的月份和年龄，打印票价。 + +> [!NOTE] +> +> * ① 4 -10 是旺季： +> * 成人（18-60）：60 。 +> * 儿童（<18）：半价。 +> * 老人（>60）：1/3 。 +> * ② 其余是淡季： +> * 成人：40。 +> * 其他：20。 -* 示例：声明长度为 10 的 int 类型数组，给数组元素依次赋值为 0 ~ 9 ，并遍历数组所有元素 + +* 示例： ```c #include int main() { - // 定义数组 - int arr[10]; + int month; + int age; + double price = 60; - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + printf("请输入月份 (1-12)："); + scanf("%d", &month); - // 给数组的每个元素赋值 - for (int i = 0; i < length; i++) { - arr[i] = i; + printf("请输入年龄："); + scanf("%d", &age); + + // 旺季 + if (month >= 4 && month <= 10) { + if (age < 18) { + price /= 2; + } else if (age > 60) { + price /= 3; + } + } else { + if (age >= 18) { + price = 40; + } else { + price = 20; + } } - // 遍历数组 - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d\n", arr[i]); + printf("票价: %.2lf\n", price); + + return 0; +} +``` + + + +# 第四章：随机数 + +## 4.1 概述 + +* 所谓的随机数就是没有规则，并且不能预测的一些数字，也称为真随机数。 +* 程序中也是可以产生随机数的，但是是通过一些固定规则产生的，称为伪随机数。 +* 常见的伪随机数（线性同余方程，LCG）的公式，如下所示： + +$X_{n+1} = (a \cdot X_n + b) \mod m$ + +* 其中，X 是伪随机序列，a 是乘数（通常选择一个大于 0 的常数，典型值有 1664525），b 是增量（选择一个大于 0 的常数，典型值有 1013904223）， m 是模数（ 通常选择一个大的常数，常见值有 ( 2^{32} ) ，即 4294967296））。 + +> [!NOTE] +> +> 假设 a = 31 ，b = 13 ，m = 100 ；那么，伪随机数的公式就是 `X_{n+1} = (31 × X_n + 13) % 100 `。 +> +> * 如果 `X_{n}` = 1 ，那么 `X_{n+1}` = 44 。 +> * 如果 `X_{n}` = 44 ，那么 `X_{n+1}` = 77 。 +> * 如果 `X_{n}` = 77 ，那么 `X_{n+1}` = 0 。 +> * ... +> +> 最后，将得到 44、77、0、13、16、9 、92、65、28 ... ，其中 1 也称为初始种子（随机数种子）。 + +* 工作原理： + * ① 设置初始种子（X_0）： + * 种子值是算法生成随机数序列的起点。 + * 不同的种子值会产生不同的随机数序列。 + * ② 递归生成随机数： + * 从初始种子开始，通过公式不断生成新的随机数。 + * 每次迭代都使用前一次生成的随机数作为输入。 + +> [!NOTE] +> +> 如果种子的值相同，那么每次生成的随机数将相同，解决方案就是将种子的值设置为当前的时间戳。 + +## 4.2 C 语言中随机数的产生 + +* ① 设置随机数种子： + +```c +srand(10); // seed 种⼦ rand random 随机 +``` + +> [!NOTE] +> +> 随机数函数在 `#include ` 中声明。 + +* ② 根据随机数种⼦计算出⼀个伪随机数： + +```c +// 根据种⼦值产⽣⼀个 0-32767 范围的随机数 +int result = rand(); +``` + +* ③ 产生一个指定范围内的随机数： + +```c +int random_in_range(int min, int max) { + return rand() % (max - min + 1) + min; +} +``` + + + +* 示例： + +```c +#include +#include +#include + +// 生成指定范围的随机数的函数 +int randomInRange(int min, int max) { + return rand() % (max - min + 1) + min; +} + +int main() { + + // 使用当前时间作为种子 + srand(time(0)); + + // 定义范围 + int min = 1; + int max = 100; + + // 生成并打印随机数 + for (int i = 0; i < 10; ++i) { + int random = randomInRange(min, max); + printf("%d \n", random); } return 0; } ``` -## 2.6 一维数组的内存分析 -### 2.6.1 数组内存图 -* 假设数组是如下的定义： +# 第五章：循环结构（⭐） + +## 5.1 概述 + +* 循环结构：在某些条件满足的情况下，反复执行特定代码的功能。 + +## 5.2 for 循环 + +### 5.2.1 概述 + +* 语法： ```c -int arr[] = {1,2,3,4,5}; +for(初始化条件①;循环条件表达式②;迭代语句④){ + 循环体语句③ +} ``` -* 那么，对应的内存结构，如下所示： +> [!NOTE] +> +> * ① 初始化条件，用于初始化循环变量，只会执行一次，且循环开始前就执行（可以声明多个变量，但是必须是同一类型，用逗号 `,` 隔开）。 +> * ② 循环条件表达式每次循环都执行，同 while 循环一样，每次先判断后执行循环体语句。 +> * ③ 迭代语句每次循环都执行，在大括号中循环体语句之后执行（如果有多个变量更新，用逗号 `,` 隔开）。 + +* 流程图，如下所示： ![](./assets/7.png) > [!NOTE] > -> * ① 数组名 `arr` 就是记录该数组的首地址，即 `arr[0]` 的地址。 -> * ② 数组中的各个元素是连续分布的，假设 `arr[0]` 的地址是 `0xdea7bff880`，则 `arr[1] 的地址 = arr[0] 的地址 + int 字节数（4） = 0xdea7bff880 + 4 = 0xdea7bff884` ，依次类推... - -* 在 C 语言中，我们可以通过 `&arr` 或 `&arr[0]` 等形式获取数组或数组元素的地址，即： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义数组 - int arr[10]; - - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); - - // 给数组的每个元素赋值 - for (int i = 0; i < length; i++) { - arr[i] = i; - } - - printf("数组的地址是 = %p\n", arr); - - // 遍历数组 - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("数组元素 %d 的地址是 = %p\n", arr[i], &arr[i]); - } - - return 0; -} -``` - -### 2.6.2 数组的注意事项 - -* `C 语言规定，数组一旦声明，数组名指向的地址将不可更改`。因为在声明数组的时候，编译器会自动会数组分配内存地址，这个地址和数组名是绑定的，不可更改。 - -> [!WARNING] -> -> 如果之后试图更改数组名对应的地址，编译器就会报错。 +> 执行过程是：① --> ② --> ③ --> ④ --> ② --> ③ --> ④ --> ... --> ② 。 -* 示例：错误演示 +### 5.2.2 应用示例 -```c -int num[5]; // 声明数组 - -// 使用大括号重新赋值是不允许的，必须在数组声明的时候赋值，否则编译将会报错 -num = {1,2,3,4,5} ; // [!code error] -``` - - - -* 示例：错误演示 - -```c -int num[] = {1,2,3,4,5}; - -// 使用大括号重新赋值是不允许的，必须在数组声明的时候赋值，否则编译将会报错 -num = {2,3,4,5,6}; // [!code error] -``` - - - -* 示例：错误演示 - -```c -int num[5]; - -// 报错，需要和 Java 区别一下，在 C 中不可以 -num = NULL; // [!code error] -``` - - - -* 示例：错误演示 - -```c -int a[] = {1,2,3,4,5} - -// 报错，需要和 Java 区别一下，在 C 中不可以 -int b[5] = a ; // [!code error] -``` - -## 2.7 数组应用案例 - -### 2.7.1 应用示例 - -* 需求：计算数组中所有元素的和以及平均数。 +* 需求：输出 5 行 `Hello World!` 。 @@ -606,40 +684,278 @@ int b[5] = a ; // [!code error] int main() { - // 定义数组并初始化 - int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, 36, 67, 108, 29, 51}; - - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); - - // 变量保存总和 - int sum = 0; - - // 遍历数组 - for (int i = 0; i < length; i++) { - sum += arr[i]; + for (int i = 1; i <= 5; ++i) { + printf("Hello World!\n"); } - double avg = (double)sum / length; - printf("数组的和为：%d\n", sum); // 数组的和为：375 - printf("数组的平均值为：%.2lf\n", avg); //数组的平均值为：37.50 - return 0; } ``` -### 2.7.2 应用示例 +### 5.2.3 应用示例 -* 需求：计算数组的最值（最大值和最小值）。 +* 需求：求 1 ~ 100 之内所有偶数的和，以及偶数的个数。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + int sum = 0; + int count = 0; + + for (int i = 1; i <= 100; i++) { + if (i % 2 == 0) { + sum += i; + count++; + } + } + + printf("1 ~ 100 中的所有偶数的和为: %d \n", sum); + printf("1 ~ 100 中的所有偶数的个数为: %d \n", count); + + return 0; +} +``` + +### 5.2.4 应用示例 + +* 需求：输出所有的水仙花数，所谓水仙花数是指一个 3 位数，其各个位上数字立方和等于其本身，例如：`153 = 1×1×1 + 3×3×3 + 5×5×5`。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + int count = 0; + + for (int i = 100; i <= 999; i++) { + // 获取三位数 + int ge = i % 10; + int shi = i / 10 % 10; + int bai = i / 100; + + // 判定是否为水仙花数 + if (ge * ge * ge + shi * shi * shi + bai * bai * bai == i) { + printf("水仙花数：%d\n", i); + count++; + } + } + + printf("水仙花数总个数：%d\n", count); + + return 0; +} +``` + +### 5.2.5 应用示例 + +* 需求：将 1 ~ 10 倒序输出，如：10 、9 、8 ... + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + for (int i = 10; i >= 0; i--) { + printf("%d ", i); + } + + return 0; +} +``` + +### 5.2.6 应用示例 + +* 需求：输入两个正整数 m 和 n ，求其最大公约数和最小公倍数，例如：12 和 20 的最大公约数是 4 ，最小公倍数是 60 。 + +> [!NOTE] +> +> * 如果数 a 能被数 b 整除，且结果是整数，那么 a 就叫做 b 的倍数，b 就叫做 a 的约数（因数）。 +> * 如果一个整数同时是几个整数的约数，则称该整数为这些整数的公约数；其中，数值最大的称为最大公约数。 +> * 如果一个整数同时为两个或多个整数的倍数的数，则称该整数为这些整数的公倍数；其中，数值最小的称为最小公倍数。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + int m = 12, n = 20; + + // 取出两个数中的较小值 + int min = (m < n) ? m : n; + + for (int i = min; i >= 1; i--) { + + if (m % i == 0 && n % i == 0) { + printf("最大公约数是：%d\n", i); // 公约数 + + break; //跳出当前循环结构 + } + } + + // 取出两个数中的较大值 + int max = (m > n) ? m : n; + for (int i = max; i <= m * n; i++) { + + if (i % m == 0 && i % n == 0) { + + printf("最小公倍数是：%d\n", i); // 公倍数 + + break; + } + } + + return 0; +} +``` + +## 5.3 while 循环 + +### 5.3.1 概述 + +* 语法： + +```c +初始化条件①； +while (循环条件语句②) { + 循环体语句③； + 迭代语句④； +} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① `while(循环条件部分)` 中循环条件为`非0`值，表示 `true`、`真`；为`0`值，表示 `false`、`假`。 +> * ② 当循环条件表达式成立，就执行循环体语句，直到条件不成立停止循环。 +> * ③ 为避免死循环，循环条件表达式不能永远成立，且随着循环次数增加，应该越来越趋向于不成立。 +> * ④ for 循环和 while 循环`可以相互转换`，二者没有性能上的差别。 +> * ⑤ for 循环与 while 循环的区别：`初始化条件部分的作用域不同`。 + +* 流程图，如下所示： + +![](./assets/8.png) + +> [!NOTE] +> +> 执行过程是：① --> ② --> ③ --> ④ --> ② --> ③ --> ④ --> ... --> ② 。 + +### 5.3.2 应用示例 + +* 需求：输出 5 行 `Hello World!` 。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + int i = 1; + while (i <= 5) { + printf("Hello World!\n"); + i++; + } + + return 0; +} +``` + +### 5.3.3 应用示例 + +* 需求：求 1 ~ 100 之内所有偶数的和，以及偶数的个数。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + int sum = 0; + int count = 0; + + int i = 1; + while (i <= 100) { + if (i % 2 == 0) { + sum += i; + count++; + } + i++; + } + + printf("1 ~ 100 中的所有偶数的和为: %d \n", sum); + printf("1 ~ 100 中的所有偶数的个数为: %d \n", count); + + return 0; +} +``` + +### 5.3.4 应用示例 + +* 需求：世界最高山峰是珠穆朗玛峰，它的高度是 8848.86 米，假如我有一张足够大的纸，它的厚度是 0.1 毫米。请问，我折叠多少次，可以折成珠穆朗玛峰的高度? + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 折叠的次数 + int count = 0; + + // 珠峰的高度 + int zfHeight = 8848860; + + // 每次折叠的高度 + double paperHeight = 0.1; + + while (paperHeight <= zfHeight) { + count++; + paperHeight *= 2; + } + + printf("需要折叠 %d 次，才能得到珠峰的高度。\n", count); + printf("折纸的高度为 %.2f 米，超过了珠峰的高度", paperHeight / 1000); + + return 0; +} +``` + +### 5.3.5 应用示例 + +* 需求：给出一个整数 n ，判断该整数是否是 2 的幂次方。如果是，就输出 yes ；否则，输出 no 。 > [!NOTE] > > 思路： > -> * ① 假设数组中的第一个元素是最大值或最小值，并使用变量 max 或 min 保存。 -> * ② 遍历数组中的每个元素： -> * 如果有元素比最大值还要大，就让变量 max 保存最大值。 -> * 如果有元素比最小值还要小，就让变量 min 保存最小值。 +> * ① 2^ 0 = 1 ，2^1 = 2 ，2^2 = 4，2^3 = 8，2^4 = 16，2^5 = 32 ...，规律：每一个数字都是前一个数字的 2 倍（任意一个数字，不断的除以 2 ，最终看结果是否是数字 1 ）。 +> * ② 循环终止条件： +> * 结果是 1 的时候，就可以结束，输出 yes 。 +> * 如果在除以 2 的时候，无法被 2 整数，也可以结束，输出 no ，如： 100 / 2 = 50，50 / 2 = 25 。 @@ -650,136 +966,34 @@ int main() { int main() { - // 定义数组并初始化 - int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + int n = 0; + printf("请输入一个整数："); + scanf("%d", &n); - // 定义最大值 - int max = arr[0]; - // 定义最小值 - int min = arr[0]; - - // 遍历数组 - for (int i = 0; i < length; i++) { - if (arr[i] >= max) { - max = arr[i]; - } - if (arr[i] <= min) { - min = arr[i]; - } + while (n > 1 && n % 2 == 0) { + n /= 2; } - printf("数组的最大值为：%d\n", max); // 数组的最大值为：108 - printf("数组的最小值为：%d\n", min); // 数组的最小值为：-36 - - return 0; -} -``` - -### 2.7.3 应用示例 - -* 需求：统计数组中某个元素出现的次数，要求：使用无限循环，如果输入的数字是 0 ，就退出。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义数组并初始化 - int arr[] = {12, 2, 31, 24, 2, -36, 67, 108, 29, 51}; - - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); - - // 遍历数组 - printf("当前数组中的元素是："); - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - - printf("\n"); - - // 无限循环 - while (true) { - // 统计的数字 - int num; - // 统计数字出现的次数 - int count = 0; - // 输入数字 - printf("请输入要统计的数字："); - scanf("%d", &num); - - // 0 作为结束条件 - if (num == 0) { - break; - } - - // 遍历数组，并计数 - for (int i = 0; i < length; i++) { - if (arr[i] == num) { - count++; - } - } - - printf("您输入的数字 %d 在数组中出现了 %d 次\n", num, count); + if (n == 1) { + printf("yes"); + } else { + printf("no"); } return 0; } ``` -### 2.7.4 应用示例 +### 5.3.6 应用示例 -* 需求：将数组 a 中的全部元素复制到数组 b 中。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -#define SIZE 10 - -int main() { - - // 定义数组并初始化 - int a[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; - int b[SIZE]; - - // 复制数组 - for (int i = 0; i < SIZE; i++) { - b[i] = a[i]; - } - - // 打印数组 b 中的全部元素 - for (int i = 0; i < SIZE; i++) { - printf("%d ", b[i]); - } - - return 0; -} -``` - -### 2.7.5 应用示例 - -* 需求：数组对称位置的元素互换。 +* 需求：整数反转，如：123 --> 321 。 > [!NOTE] > -> 思路：假设数组一共有 10 个元素，那么： -> -> * a[0] 和 a[9] 互换。 -> * a[1] 和 a[8] 互换。 -> * ... -> -> 规律就是 `a[i] <--互换--> arr[arr.length -1 -i]` +> 思路：从右边开始，依次获取每一位数字，再拼接起来。 @@ -790,341 +1004,97 @@ int main() { int main() { - // 原始数组 - int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); - // 计算数组的长度 - size_t SIZE = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - - // 打印原始数组中的全部元素 - printf("原始数组："); - for (int i = 0; i < SIZE; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); + int num = 0; + int original = 0; + int rev = 0; + printf("请输入一个整数："); + scanf("%d", &num); + original = num; - // 交换数组 - for (int i = 0; i < SIZE / 2; i++) { - int temp = arr[i]; - arr[i] = arr[SIZE - 1 - i]; - arr[SIZE - 1 - i] = temp; + // 从右边开始，依次获取每个数字，然后拼接到 rev 中 + /** + * 第 1 次，123 % 10 = 3，rev = 0 * 10 + 3 = 3 + * 第 2 次，12 % 10 = 2，rev = 3 * 10 + 2 = 32 + * 第 3 次，1 % 10 = 1，rev = 32 * 10 + 1 = 321 + */ + // 循环结束的条件是 num == 0 + while (num != 0) { + // 获取 num 右边的第一位数字 + int temp = num % 10; + // 去掉最后一位数字 + num /= 10; + // 将 temp 拼接到 rev 的后面 + rev = rev * 10 + temp; } - // 打印交换后的数组 - printf("交换后数组："); - for (int i = 0; i < SIZE; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); + printf("%d 的反转是 %d\n", original, rev); return 0; } ``` +## 5.4 do-while 循环 - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 原始数组 - int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; - - // 计算数组的长度 - size_t SIZE = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - - // 打印原始数组中的全部元素 - printf("原始数组："); - for (int i = 0; i < SIZE; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); - - // 交换数组 - for (int i = 0, j = SIZE - 1 - i; i < SIZE / 2; i++, j--) { - int temp = arr[i]; - arr[i] = arr[j]; - arr[j] = temp; - } - - // 打印交换后的数组 - printf("交换后数组："); - for (int i = 0; i < SIZE; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); - - return 0; -} -``` - -### 2.7.6 应用示例 - -* 需求：将数组中的最大值移动到数组的最末尾。 - -> [!NOTE] -> -> 思路：从数组的下标 `0` 开始依次遍历到 `length - 1` ，如果 `i` 下标当前的值比 `i+1` 下标的值大，则交换；否则，就不交换。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 原始数组 - int arr[] = {12, 2, 31, -24, 15, -36, 67, 891, 29, 51}; - - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - - // 打印原始数组中的全部元素 - printf("原始数组："); - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); - - // 移动最大值到数组的最后一个位置 - for (int i = 0; i < length - 1; i++) { - if (arr[i] > arr[i + 1]) { - int temp = arr[i]; - arr[i] = arr[i + 1]; - arr[i + 1] = temp; - } - } - - // 打印移动之后的数组 - printf("移动之后的数组："); - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); - - return 0; -} -``` - -### 2.7.7 应用示例 - -* 需求：实现冒泡排序，即将数组的元素从小到大排列。 - -> [!NOTE] -> -> 思路：一层循环，能实现最大值移动到数组的最后；那么，二层循环（控制内部循环数组的长度）就能实现将数组的元素从小到大排序。 - - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 原始数组 - int arr[] = {12, 2, 31, -24, 15, -36, 67, 891, 29, 51}; - - // 计算数组的长度 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - - // 打印原始数组中的全部元素 - printf("原始数组："); - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); - - for (int j = 0; j < length - 1; j++) { - for (int i = 0; i < length - 1 - j; i++) { - if (arr[i] > arr[i + 1]) { - int temp = arr[i]; - arr[i] = arr[i + 1]; - arr[i + 1] = temp; - } - } - } - - // 打印移动之后的数组 - printf("移动之后的数组："); - for (int i = 0; i < length; i++) { - printf("%d ", arr[i]); - } - printf("\n"); - - return 0; -} -``` - -### 2.7.8 应用示例 - -* 需求：数组中的元素是从小到大排列的，现在要求根据指定的元素获取其在数组中的位置。 - -> [!NOTE] -> -> 二分查找（折半查找）的前提条件是：数组中的元素必须是`有序`的（从小到大或从大到小）。其基本步骤，如下所示： -> -> * ① 确定初始范围：定义数组的起始索引 `min = 0` 和结束索引 `max = len - 1` 。 -> * ② 计算中间索引：在每次迭代中，计算中间位置 `mid = (min + right) / 2`。 -> * ③ 比较中间值： -> * 如果`目标值`比 `arr[mid]` 小，则继续在`左`半部分查找，那么 `min` 不变，而`max = mid - 1` 。 -> * 如果`目标值`比 `arr[mid]` 大，则继续在`右`半部分查找，那么 `max` 不变，而`min = mid + 1` 。 -> * 如果`目标值`和 `arr[mid]` 相等，则找到了目标，返回该索引。 -> * ④ 结束条件：当 `min > max` 的时候，表示查找范围为空，即：元素不存在，返回 `-1`。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -/** - * 二分查找 - * - * @param arr 数组 - * @param len 数组长度 - * @param num 要查找的数据 - * @return 返回数据的下标，没有找到返回-1 - */ -int search(int arr[], int len, int num) { - int min = 0; - int max = len - 1; - while (min <= max) { - int mid = (min + max) / 2; - if (num < arr[mid]) { // 说明要查找的数据在左半边 - max = mid - 1; - } else if (num > arr[mid]) { // 说明要查找的数据在右半边 - min = mid + 1; - } else { // 说明找到了 - return mid; - } - } - return -1; -} - -int main() { - - int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6}; - - int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - - int index = search(arr, len, -1); - - printf("index = %d\n", index); - - return 0; -} -``` - - - -# 第三章：多维数组（⭐） - -## 3.1 概述 - -### 3.1.1 引入 - -* 我们在数学、物理和计算机科学等学科中学习过`一维坐标`、`二维坐标`以及`三维坐标`。 - -* 其中，`一维坐标`通常用于描述在线段或直线上的点的位置，主要应用有： - - * **数轴**：一维坐标可以用来表示数轴上的数值位置，这在基础数学和初等代数中非常常见。 - - ![](./assets/8.png) - - * **时间轴**：时间可以看作是一维的，它可以用一维坐标表示，例如：秒、分钟、小时等。 - - ![](./assets/9.png) - - * **统计数据**：一维坐标常用于表示单变量的数据集，如：测量身高、体重、温度等。 - - ![](./assets/10.jpg) - -* 其中，`二维坐标`用于描述平面上的点的位置。主要应用包括： - - * **几何学**：在几何学中，二维坐标用于表示平面图形的顶点、边和面积等。 - - ![](./assets/11.png) - - * **地图和导航**：地理坐标系统（经纬度）使用二维坐标来表示地球表面的任意位置。 - - ![image-20240724112326592](./assets/12.png) - - * **图形设计和计算机图形学**：二维坐标在绘制图形、设计图案和用户界面中非常重要。 - - ![](./assets/13.png) - - * **物理学**：二维运动和场，例如：在描述物体在平面上的运动轨迹时使用二维坐标。 - - ![](./assets/14.jpg) - -* 其中，三维坐标用于描述空间中点的位置。主要应用包括： - - * **几何学**：三维坐标在空间几何中用于表示立体图形的顶点、边、面和体积。 - - ![](./assets/15.png) - - * **计算机图形学**：三维建模和动画需要使用三维坐标来创建和操控虚拟对象。 - - ![](./assets/16.png) - - * **工程和建筑设计**：在设计建筑物、机械部件和其他工程项目时，使用三维坐标来精确定位和规划。 - - ![](./assets/17.png) - - * **物理学**：三维空间中的力、运动和场，例如：描述物体在空间中的位置和运动轨迹。 - - ![](./assets/18.png) - -* 总而言之，一维、二维和三维坐标系统在不同的领域中各有其重要的应用，从基础数学到高级科学和工程技术，它们帮助我们更好地理解和描述世界的结构和行为。 - -### 3.1.2 多维数组 - -* 在 C 语言中，多维数组就是数组嵌套，即：在数组中包含数组，数组中的每一个元素还是一个数组类型，如下所示： - -![](./assets/19.png) - -> [!NOTE] -> -> * ① 如果数组中嵌套的每一个元素是一个常量值，那么该数组就是一维数组。 -> * ② 如果数组中嵌套的每一个元素是一个一维数组，那么该数组就是二维数组。 -> * ③ 如果数组中嵌套的每一个元素是一个二维数组，那么该数组就是三维数组. -> * ④ 依次类推... - -* 一维数组和多维数组的理解： - * 从内存角度看：一维数组或多维数组都是占用的一整块连续的内存空间。 - * 从数据操作角度看： - * 一维数组可以直接通过`下标`访问到数组中的某个元素，即：0、1、... - * 二维数组要想访问某个元素，先要获取某个一维数组，然后在一维数组中获取对应的数据。 - -> [!NOTE] -> -> * ① C 语言中的一维数组或多维数组都是占用的一整块连续的内存空间，其它编程语言可不是这样的，如：Java 等。 -> * ② 在实际开发中，最为常用的就是二维数组或三维数组了，以二维数组居多！！！ - -## 3.2 二维数组的定义 - -### 3.2.1 动态初始化 +### 5.4.1 概述 * 语法： ```c -数据类型 数组名[几个⼀维数组元素][每个⼀维数组中有几个具体的数据元素]; +①初始化部分; +do{ + ③循环体部分 + ④迭代部分 +}while(②循环条件部分); ``` > [!NOTE] > -> * ① 二维数组在实际开发中，最为常见的应用场景就是表格或矩阵了。 -> * ② 几个一维数组元素 = 行数。 -> * ③ 每个⼀维数组中有几个具体的数据元素 = 列数。 +> * ① `do{} while();`最后有一个分号。 +> * ② do-while 结构的循环体语句是至少会执行一次，这个和 for 、while 是不一样的。 +> * ③ 循环的三个结构 for、while、do-while 三者是可以相互转换的。 + +* 流程图，如下所示： + +![](./assets/9.png) + +> [!NOTE] +> +> 执行过程是：① --> ③ --> ④ --> ② --> ③ --> ④ --> ② --> ... --> ② 。 + +### 5.4.2 应用示例 + +* 需求：求 1 ~ 100 之内所有偶数的和，以及偶数的个数。 + +```c +#include + +int main() { + + int sum = 0; + int count = 0; + + int i = 1; + do { + if (i % 2 == 0) { + sum += i; + count++; + } + i++; + } while (i <= 100); + + printf("1 ~ 100 中的所有偶数的和为: %d \n", sum); + printf("1 ~ 100 中的所有偶数的个数为: %d \n", count); + + return 0; +} +``` + +### 5.4.3 应用示例 + +* 需求：实现 ATM 取款机功能。 @@ -1134,83 +1104,96 @@ int main() { #include int main() { + // 账户余额 + double balance = 0.0; + // 客户选择 + int selection; + // 存款金额 + double addMoney; + // 取款金额 + double minusMoney; + // 退出标识 + bool exitFlag = false; + do { + printf("=========ATM========\n"); + printf("\t1、存款\n"); + printf("\t2、取款\n"); + printf("\t3、显示余额\n"); + printf("\t4、退出\n"); + printf("请选择(1-4)："); - // 定义二维数组并初始化 - int arr[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}}; + scanf("%d", &selection); - // 输出二维数组中的元素 - printf("%d ", arr[0][0]); - printf("%d ", arr[0][1]); - printf("%d ", arr[0][2]); - printf("%d \n", arr[0][3]); - printf("%d ", arr[1][0]); - printf("%d ", arr[1][1]); - printf("%d ", arr[1][2]); - printf("%d \n", arr[1][3]); - printf("%d ", arr[2][0]); - printf("%d ", arr[2][1]); - printf("%d ", arr[2][2]); - printf("%d ", arr[2][3]); + switch (selection) { + case 1: + printf("您当前的余额是: %.2f\n", balance); + printf("请输入存款金额："); + scanf("%lf", &addMoney); + balance += addMoney; + printf("存款成功，您当前的余额是：%.2f\n", balance); + break; + case 2: + printf("您当前的余额是: %.2f\n", balance); + printf("请输入取款金额："); + scanf("%lf", &minusMoney); + if (minusMoney > balance) { + printf("余额不足，取款失败。\n"); + } else { + balance -= minusMoney; + printf("取款成功，您的余额为：%.2f\n", balance); + } + break; + case 3: + printf("您的账户余额为：%.2f\n", balance); + break; + case 4: + exitFlag = true; + printf("欢迎下次再来。\n"); + break; + default: + printf("输入有误，请重新输入。\n"); + break; + } + + } while (!exitFlag); return 0; } ``` -### 3.2.2 静态初始化 1 +## 5.5 嵌套循环 +### 5.5.1 概述 + +* 所谓的嵌套循环，是指一个循环结构 A 的循环体是另一个循环结构 B 。例如：for 循环里面还有一个for 循环，就是嵌套循环。 * 语法： ```c -数据类型 数组名[行数][列数] = {{元素1,元素2,...},{元素3,...},...} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① 行数 = 几个一维数组元素。 -> * ② 列数 = 每个⼀维数组中有几个具体的数据元素。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义二维数组并初始化 - int arr[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}}; - - // 输出二维数组中的元素 - printf("%d ", arr[0][0]); - printf("%d ", arr[0][1]); - printf("%d ", arr[0][2]); - printf("%d \n", arr[0][3]); - printf("%d ", arr[1][0]); - printf("%d ", arr[1][1]); - printf("%d ", arr[1][2]); - printf("%d \n", arr[1][3]); - printf("%d ", arr[2][0]); - printf("%d ", arr[2][1]); - printf("%d ", arr[2][2]); - printf("%d ", arr[2][3]); - - return 0; +for(初始化语句①; 循环条件语句②; 迭代语句⑦) { + for(初始化语句③; 循环条件语句④; 迭代语句⑥) { + 循环体语句⑤; + } } ``` -### 3.2.3 静态初始化 2 +* 其中，for 、while 、do-while 均可以作为外层循环或内层循环。 + - 外层循环：循环结构 A + - 内层循环：循环结构 B -* 语法： - -```c -数据类型 数组名[][列数] = {{元素1,元素2,...},{元素3,...},...} -``` +![](./assets/10.png) > [!NOTE] > -> * ① 列数 = 每个⼀维数组中有几个具体的数据元素。 -> * ② 可以`不`指定`行数`，`必须`指定`列`数，编译器会根据元素的个数和列的个数，自动推断出行数！！！ +> * ① 实际上，嵌套循环就是将内层循环当成外层循环的循环体。当只有内层循环的循环条件为 false ，才会完全跳出内层循环，才可结束外层的当次循环，开始下一次循环。 +> * ② 假设外层循环次数为 m 次，内层循环次数为 n 次，则内层循环体实际上需要执行 m × n 次。 +> * ③ 从二维图形的角度看，外层循环控制`行数`，内层循环控制`列数`。 +> * ④ 实际开发中，我们最多见到的嵌套循环是两层，一般不会出现超过三层的嵌套循环。如果将要出现，一定要停下来重新梳理业务逻辑，重新思考算法的实现，控制在三层以内；否则，可读性会很差。 + + + +### 5.5.2 应用示例 + +* 需求：打印 5 行 `*` ，要求每行 6 个 `*` 。 @@ -1221,48 +1204,21 @@ int main() { int main() { - // 定义二维数组 - int arr[][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6}, {9, 10, 11, 12}}; - - // 输出二维数组中的元素 - printf("%d ", arr[0][0]); - printf("%d ", arr[0][1]); - printf("%d ", arr[0][2]); - printf("%d \n", arr[0][3]); - printf("%d ", arr[1][0]); - printf("%d \n", arr[1][1]); - printf("%d ", arr[2][0]); - printf("%d ", arr[2][1]); - printf("%d ", arr[2][2]); - printf("%d ", arr[2][3]); + for (int i = 1; i <= 5; ++i) { + for (int j = 1; j < 6; ++j) { + printf("* "); + } + printf("\n"); + } return 0; } + ``` -## 3.3 二维数组的理解 +### 5.5.3 应用示例 -* 如果二维数组是这么定义的，即： - -```c -int arr[3][4]; -``` - -* 那么，这个二维数组 `arr` 可以看做是 `3` 个一维数组组成，它们分别是 `arr[0]`、`arr[1]`、`arr[2]`。这 `3` 个一维数组都各有 4 个元素，如：一维数组 `arr[0]` 中的元素是 `arr[0][0]`、`arr[0][1]`、`arr[0][2]`、`arr[0][3]`，即： - -![](./assets/20.png) - -## 3.4 二维数组的遍历 - -* 访问二维数组的元素，需要使用两个下标（索引），一个用于访问行（第一维），另一个用于访问列（第二维），我们通常称为行下标（行索引）或列下标（列索引）。 -* 所以，遍历二维数组，需要使用双层循环结构。 - -> [!NOTE] -> -> 如果一个二维数组是这么定义的，即：`int arr[3][4]`，那么： -> -> * `行的长度 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0])` ，因为 `arr` 是二维数组的`总`的内存空间；而 `arr[0]` 、`arr[1]`、`arr[2]` 是二维数组中一维数组的内存空间 。 -> * `列的长度 = sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0])`，因为`arr[0]` 、`arr[1]`、`arr[2]` 是二维数组中一维数组的内存空间 ，而 `arr[0][0]`、`arr[0][1]`、... 是一维数组中元素的内存空间。 +* 需求：打印 5 行直角三角形。 @@ -1273,17 +1229,9 @@ int arr[3][4]; int main() { - // 定义二维数组 - int arr[][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6}, {9, 10, 11, 12}}; - - // 获取行列数 - int row = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - int col = sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]); - - // 打印二维数组元素 - for (int i = 0; i < row; i++) { - for (int j = 0; j < col; j++) { - printf("%d ", arr[i][j]); + for (int i = 1; i <= 5; ++i) { + for (int j = 1; j <= i; ++j) { + printf("* "); } printf("\n"); } @@ -1292,22 +1240,9 @@ int main() { } ``` -## 3.5 二维数组的内存分析 +### 5.5.4 应用示例 -* 用`矩阵形式`（如：3 行 4 列形式）表示二维数组，是`逻辑`上的概念，能形象地表示出行列关系。而在`内存`中，各元素是连续存放的，不是二维的，是`线性`的。 - -* C 语言中，二维数组中元素排列的顺序是`按行存放`的。即：先顺序存放第一行的元素，再存放第二行的元素。例如：数组`a[3][4] `在内存中的存放，如下所示： - -![](./assets/21.png) - -> [!NOTE] -> -> * ① 这就是 `C` 语言的二维数组在进行静态初始化的时候，`可以`忽略`行数`的原因所在（底层的`内存结构`是`线性`的），因为可以根据 `元素的总数 ÷ 每列元素的个数 = 行数`的公式计算出`行数`。 -> * ② 如果你学过 `Java` 语言，可能会感觉困惑，Java 语言中的二维数组在进行静态初始化，是`不能`忽略`行数`的，是因为 Java 编译器会根据`行数`去堆内存空间先开辟出一维数组，然后再继续...，所以当然`不能`忽略`行数`。 - -## 3.6 二维数组的应用案例 - -* 需求：现在有三个班，每个班五名同学，用二维数组保存他们的成绩，并求出每个班级平均分、以及所有班级平均分，数据要求从控制台输入。 +* 需求：打印 5 行倒直角三角形。 @@ -1318,40 +1253,264 @@ int main() { int main() { - // 定义二维数组，用于保存成绩 - double arr[3][5]; + for (int i = 1; i <= 5; ++i) { + for (int j = 1; j <= 6 - i; ++j) { + printf("* "); + } + printf("\n"); + } - // 获取二维数组的行数和列数 - int row = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); - int col = sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]); + return 0; +} +``` - // 从控制台输入成绩 - for (int i = 0; i < row; i++) { - for (int j = 0; j < col; j++) { - printf("请输入第%d个班级的第%d个学生的成绩：", i + 1, j + 1); - scanf("%lf", &arr[i][j]); +### 5.5.5 应用示例 + +* 需求：打印 9 `×` 9 乘法表。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + for (int i = 1; i <= 9; ++i) { + for (int j = 1; j <= i; ++j) { + printf("%d × %d = %d ", i, j, i * j); + } + printf("\n"); + } + + return 0; +} +``` + +## 5.6 无限循环 + +* 语法： + +```c +while(1){ + ... +} +``` + +```c +for(;;){ + ... +} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 在开发中，有的时候并不确定需要循环多少次，就需要根据循环体内部的某些条件，来控制循环的结束（break）。 +> * ② 如果上述的循环结构不能终止，就会构成死循环；所以，在实际开发中，要避免出现死循环！！！ + + + +* 示例：从键盘读入个数不确定的整数，并判断读入的正数和负数的个数，输入为 0 时结束程序 + +```c +#include + +int main() { + + // 记录输入的整数 + int num = 0; + // 记录正数个数 + int positiveCount = 0; + // 记录负数个数 + int negativeCount = 0; + + while (true) { + printf("请输入一个整数："); + scanf("%d", &num); + if (num > 0) { + positiveCount++; + } else if (num < 0) { + negativeCount++; + } else { + printf("程序结束！\n"); + break; } } - // 总分 - double totalSum = 0; + printf("正数的个数：%d\n", positiveCount); + printf("负数的个数：%d\n", negativeCount); - // 遍历数组，求总分和各个班级的平均分 - for (int i = 0; i < row; i++) { - double sum = 0; - for (int j = 0; j < col; j++) { - totalSum += arr[i][j]; - sum += arr[i][j]; + return 0; +} + +``` + +## 5.7 跳转控制语句 + +### 5.7.1 break + +* break 的使用场景：break 语句用于终止某个语句块的执行，用在switch语句或者循环语句中。 + +> [!NOTE] +> +> break 一旦执行，就结束(或跳出)当前循环结构；并且，此关键字的后面，不能声明其它语句。 + +* 流程图，如下所示： + +![](./assets/11.png) + + + +* 示例：打印 0 ~ 10 ，如果遇到 `3` ，就停止打印 + +```c +#include + +int main() { + + for (int i = 0; i < 10; ++i) { + if (i == 3) { + break; } - printf("第%d个班级的总分为：%.2lf\n", i + 1, sum); - printf("第%d个班级的平均分为：%.2lf\n", i + 1, sum / col); + printf("%d \n", i); } - printf("所有班级的总分为：%.2lf\n", totalSum); - printf("所有班级的平均分为：%.2lf\n", totalSum / (row * col)); + printf("程序结束！\n"); return 0; } ``` + +* 示例：编写程序，要求输入一个数字，判断该数字是否是质数 + +```c +#include + +int main() { + + bool isFlag = false; + int num = 0; + do { + + printf("请输入一个整数（必须大于 1 ）："); + scanf("%d", &num); + + if (num <= 1) { + printf("输入的数字不是合法，请重新输入！！！\n"); + isFlag = true; + } else { + isFlag = false; + } + + } while (isFlag); + + bool isPrime = true; + for (int i = 2; i < num; i++) { + if (num % i == 0) { + isPrime = false; + break; + } + } + if (isPrime) { + printf("%d 是一个质数\n", num); + } else { + printf("%d 不是一个质数\n", num); + } + + printf("程序结束！\n"); + + return 0; +} +``` + +### 5.7.2 continue + +* continue 的使用场景：continue 语句用于结束本次循环，继续执行下一次循环。 + +> [!NOTE] +> +> continue 一旦执行，就结束(或跳出)当次循环结构；并且，此关键字的后面，不能声明其它语句。 + + + +* 流程图，如下所示： + +![](./assets/12.png) + + + +* 示例：打印 0 ~ 10 ，如果遇到 `3` ，就继续下一次打印 + +```c +#include + +int main() { + + for (int i = 0; i < 10; ++i) { + if (i == 3) { + continue; + } + printf("%d \n", i); + } + + printf("程序结束！\n"); + + return 0; +} +``` + + + +* 示例：输出 100 以内（包括 100）的数字，跳过那些 7 的倍数或包含 7 的数字 + +```c +#include + +int main() { + + for (int i = 1; i <= 100; i++) { + if (i % 7 == 0 || i % 10 == 7 || i / 10 == 7) { + continue; + } + printf("%d ", i); + } + + printf("程序结束！\n"); + + return 0; +} +``` + +### 5.7.3 return + +* return ：并非专门用于结束循环的，它的功能是结束一个方法。当一个方法执行到一个 return 语句的时候，这个方法将被结束。 + +> [!NOTE] +> +> 和 break 和 continue 不同的是，return 直接结束整个方法，不管这个 return 处于多少层循环之内。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + for (int i = 1; i <= 100; i++) { + if (i % 7 == 0 || i % 10 == 7 || i / 10 == 7) { + return 0; // 结束整个函数或方法 + } + printf("%d ", i); + } + + printf("程序结束！\n"); + + return 0; +} +``` + diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/1.jpeg b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/1.jpeg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/1.jpeg rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/1.jpeg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/10.gif b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/10.gif similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/10.gif rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/10.gif diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/11.gif b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/11.gif similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/11.gif rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/11.gif diff --git a/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/12.gif b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/12.gif index 0ad9999..f150246 100644 Binary files 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from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/27.gif rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/27.gif diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/3.jpg b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/3.jpg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/3.jpg rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/3.jpg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/4.jpg b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/4.jpg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/4.jpg rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/4.jpg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/5.jpg b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/5.jpg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/08_xdx/assets/5.jpg rename to docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/5.jpg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/6.gif b/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/6.gif index 17e30fd..ab54fbd 100644 Binary files a/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/6.gif and 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第一章：内存泄漏（Memory Leak） ## 1.1 概述 -* 在实际开发中，我们除了经常处理整数、浮点数、字符等，还经常和字符串打交道，如：`"Hello World"`、`"Hi"` 等。 +* 有没有过这样的日子，总感觉我们的电脑，不是一个尖端的设备，而像一只疲惫的蜗牛。它在缓慢的爬行，并试图背着重重的楼房去跑马拉松，如下所示： + +![](./assets/1.jpeg) > [!NOTE] > -> 像这类`"Hello World"`、`"Hi"`等格式 ，使用`双引号`引起来的一串字符称为字符串字面值，简称字符串。 +> 儿歌《蜗牛与黄鹂鸟》的歌词是这样的，如下所示： +> +> * 阿门阿前一棵葡萄树。 +> * 阿嫩阿嫩绿地刚发芽。 +> * 蜗牛背着那重重的壳呀。 +> * 一步一步地往上爬。 +> * 阿树阿上两只黄鹂鸟。 +> * 阿嘻阿嘻哈哈在笑它。 +> * 葡萄成熟还早得很哪。 +> * 现在上来干什么。 +> * 阿黄阿黄鹂儿不要笑。 +> * 等我爬上它就成熟了。 +> +> 虽然歌曲的主旨是想通过蜗牛与黄鹂鸟的对话，表达了努力和坚持的重要性，即使速度慢，只要坚定地往前走，总会达到目标。但是，也从侧面说明了蜗牛的速度真的很慢。 -* 对于整数、浮点数和字符，C 语言中都提供了对应的数据类型。但是，对于字符串，C 语言并没有提供对应的数据类型，而是用`字符数组`来存储这类文本类型的数据，即字符串： +* 亦或者，我们的电脑就像一个蹒跚学步的孩子在发脾气，我们多么希望她们耐心点，并配合我们。可是，她们总是拒绝和我们合作，如下所示： -```c -char str[32]; -``` +![](./assets/2.jpg) -* 字符串不像整数、浮点数以及字符那样有固定的大小，字符串是不定长的，如：`"Hello World"`、`"Hi"` 等的长度就是不一样的。在 C 语言中，规定了字符串的结尾必须是 `'\0'` ，这种字符串也被称为 `C 风格的字符串`，如： - -```c -"Hello World!" // 在 C 语言中，底层存储就是 Hello World!\0 -``` - -* 其对应的图示，如下所示： - -![](./assets/1.png) - -* `'\0'` 在 ASCII 码表中是第 `0` 个字符，用 `NUL` 表示，称为空字符，该字符既不能显示，也不是控制字符，输出该字符不会有任何效果，它在 C 语言中仅作为字符串的结束标志。 -* C 语言在处理字符串时，会从前往后逐个扫描字符，一旦遇到`'\0'`就认为到达了字符串的末尾，就结束处理。`'\0'`至关重要，没有`'\0'`就意味着永远也到达不了字符串的结尾。 - -![](./assets/2.png) +* 如果这些场景，你都感觉很熟悉，那么你很有可能就是`内存泄漏`的受害者。 > [!NOTE] > -> 在现代化的高级编程语言中，都提供了字符串对应的类型，如：Java 中的 String（JDK 11 之前，底层也是通过 `char[]` 数组来实现的） 。 +> * ① `内存泄漏`虽然不可见，但是它会悄悄的蚕食计算机的性能，让曾经快速的系统变成一台陈旧的机器。 +> * ② 最为糟糕的时，和留下明显迹象的`漏水`不同，`内存泄漏`是不可见的，这使得它们难以识别，甚至难以修复。也正是因为这个特点，让开发人员和计算机用户都感觉头疼。 -## 1.2 字符数组（字符串）的定义 +## 1.2 什么是内存泄漏？ -### 1.2.1 标准写法 - -* 手动在字符串的结尾添加 `'\0'`作为字符串的结束标识。 - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - // 字符数组，不是字符串 - char c1[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'}; - // C 风格的字符串 - char c2[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '\0'}; - - return 0; -} -``` - -### 1.2.2 简化写法（推荐） - -* 字符串写成数组的形式，非常麻烦。C 语言中提供了一种简化写法，即：双引号中的字符，会自动视为字符数组。 +* 我们可以将我们的计算机想象成一个繁华的城市，城市的`道路`就代表着计算器的`内存`（计算机的内存是有限的，普遍的家用个人台式机电脑最多只支持 `4` 根内存条。如果是 `DDR4` 的话，最多也就支持 `128` GB。就算是服务器，也不是无穷无尽的），在其上运行的`程序`就像`车辆`一样，每辆车都执行各自的任务，如下所示： > [!NOTE] > -> 简化写法会自动在末尾添加 `'\0'` 字符，强烈推荐使用！！！ +> * ① 操作系统或计算机允许程序自己分配内存，并自由使用。并且，当程序执行完自己的任务之后，还可以释放掉内存，将内存还给操作系统或计算机。 +> * ② 需要说明的是，并不是程序结束运行，才会释放掉内存：在 C/C++ 等语言中，是可以在程序执行完任务之后，由程序员手动释放之前申请的内存，即：调用释放内存的函数。而 Java 等 GC 的编程语言，会由 GC 帮助程序员释放内存，当然从理论上讲会有稍许停顿。但是，像 Java 语言中的 ZGC 现在已经可以控制在 10ms 了，人几乎感觉不到！！！ +> * ③ 所谓的`分配内存`，就是程序向计算机或操作系统，申请一块内存空间，然后自己使用。 +> * ④ 所谓的`释放内存`，就是程序告诉计算机或操作系统，不再需要使用之前申请的内存空间，那么就可以将之前申请的内存空间，归还给操作系统或计算机，让其它的程序使用。 +> * ⑤ 上面例子中的`程序`就像`车辆`一样，每辆车都执行各自的任务，类似于程序在执行的时候，向操作系统申请自己的内存空间，并完成自己的任务。 +![](./assets/3.jpg) +* 但是，如果有些车辆在完成自己的任务之后，就决定无限期的停在路上，而不是离开。那么，可以想象到的是，随着时间的推移，这些停放的汽车就会开始阻塞城市的道路，减慢交通速度，如下所示： -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - char c1[] = {"Hello World"}; // 注意使用双引号，非单引号 - char c2[] = "Hello World"; // //可以省略一对 {} 来初始化数组元素 - - - return 0; -} -``` - -## 1.3 字符串的输入和输出 - -### 1.3.1 字符串的输出 - -* 在 C 语言中，有两个函数可以在控制台上输出字符串，它们分别是： - * ① `puts()`：输出字符串并自动换行，并且该函数只能输出字符串。 - * ② `printf()` ：通过格式占位符 `%s`，就可以输出字符串，不能自动换行。 +![](./assets/4.jpg) > [!NOTE] > -> * ① `printf()` 函数除了输出字符串之外，还可以输出`其它类型`的数据。 -> * ② 在实际开发中，`printf()` 函数用的居多！！！ +> * ① 需要说明的是，道路或网络的利用率并非越高越好。 +> * ② 如果使用 D0 表示道路或网络空闲时的时延（数据包（或车辆）几乎没有排队，时延 D0 只是基本的传输或行驶时间），而 D 表示道路或网络当前的时延（数据包（或车辆）可能需要排队，这导致了额外的时延，时延 D 是包含了排队时间的总时延），那么在理想的条件下，可以使用如下的表达式来表示 D、D0 以及道路或网络利用率 U 之间的关系，即：$U = \frac{D - D_0}{D}$，经过换算一下，其结果就是：$D = \frac{D_0}{1 - U}$。 +> * ③ 显而易见，道路或网络利用率并不是越大越好，过高的道路或网络利用率会产生非常大的时延。 - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - char c1[] = {"Hello World"}; // 注意使用双引号，非单引号 - char c2[] = "Hello World"; // //可以省略一对 {} 来初始化数组元素 - - puts(c1); // Hello World - puts(c2); // Hello World - - return 0; -} -``` - - - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - char c1[] = {"Hello World"}; // 注意使用双引号，非单引号 - char c2[] = "Hello World"; // //可以省略一对 {} 来初始化数组元素 - - printf("c1 = %s\n", c1); // c1 = Hello World - printf("c2 = %s\n", c2); // c2 = Hello World - - return 0; -} -``` - -### 1.3.2 字符串的输入 - -* 在 C 语言中，有两个函数可以让用户从键盘输入字符串，它们分别是： - * ① ~~`gets()`：直接输入字符串，并且只能输入字符串~~。 - * ② `scanf()`：通过格式占位符 `%s`，就可以输入字符串了。 +* 由此可见，在极端情况下，这座城市甚至可能陷入停顿。 > [!NOTE] > -> * ① `scanf()` 在通过格式占位符 `%s`，读取字符串时以`空格`或 `Enter` 键为分隔，遇到`空格`或 `Enter` 键就认为当前字符串结束了，所以无法读取含有空格的字符串。但是，我们可以将格式占位符，使用 `%[^\n]`来代替 `%s` ，这样就能解决 `scanf()` 函数默认的缺陷。 -> * ② `gets()` 认为空格也是字符串的一部分，只有遇到回车键时才认为字符串输入结束。换言之，不管输入了多少个空格，只要不按下回车键，对 `gets()` 来说就是一个完整的字符串。 -> * ③ 需要注意的是，`gets()` 函数在 [C11](https://zh.cppreference.com/w/c/11) 标准中，已经被移除了，推荐使用 `fgets` 来代替它，因为有严重的安全漏洞，即：`gets()` 函数读取用户输入直到换行符，但它不会检查缓冲区的大小。这意味着如果用户输入超过了缓冲区的大小，`gets()` 将会导致缓冲区溢出。这种缓冲区溢出很容易被恶意利用，导致程序崩溃或执行恶意代码。 - -* 示例： - -```c -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - char str[32] = {'\0'}; - - printf("请输入字符串："); - gets(str); - - printf("字符串是：%s\n", str); - - return 0; -} -``` - - - -* 示例： - -```c {13} -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - char str[32] = {'\0'}; - - printf("请输入字符串："); - // scanf() 在读取数据时需要的是数据的地址，这一点是恒定不变的。 - // 对于 int、char、float 等类型的变量都要在前边添加 & 以获取它们的地址。 - // 而数组或者字符串用于 scanf() 时不用添加 &，它们本身就会转换为地址。 - scanf("%[^\n]", str); - - printf("字符串是：%s\n", str); - - return 0; -} -``` - -## 1.4 字符串结束不是 `'\0'` 的后果 - -* 有的时候，程序的逻辑要求我们必须逐个字符为数组赋值，这个时候就很容易遗忘字符串结束标识 `'\0'`，如下所示： - -```c {3} -#include -int main() { - char str[30]; - char c; - int i; - for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { - str[i] = c; - } - printf("%s\n", str); - - return 0; -} -``` - -* 该程序的执行结果，如下所示： - -![](./assets/3.png) - -* 因为`大写字符`在 `ASCII` 码表是连续的，编码值从 `65` 开始，直到 `90` 结束；并且，为了方便，我们使用了循环。但是，我们却发现结果和我们想要的大不一样，为什么？ - -> [!NOTE] +> 这实际上就是`内存泄漏`对计算机的影响，即： > -> * ① 在函数内部定义的变量、数组、结构体、共用体等都称为局部数据。 -> -> * ② 在很多编译器下，局部数据的初始值都是随机的、无意义的，而不是我们通常认为的“零”值。 +> * ① 程序可能会变慢，甚至崩溃，特别是在长时间运行的程序中。 +> * ② `内存泄漏`会逐渐耗尽系统内存，造成资源浪费，并导致系统性能下降。 -* 我们在定义 `str` 数组的时候，并没有立即初始化，所以它包含的值都是随机的，只有很小的概率是“零”。循环结束后，`str` 的前 `26` 个元素被赋值了，剩下的 `4` 个元素的值依然是随机的，我们并不清楚到底是什么。 -* `printf()` 输出字符串时，会从第 `0` 个元素开始往后检索，直到遇见`'\0'`才停止，然后把`'\0'`前面的字符全部输出，这就是 `printf()` 输出字符串的原理。 -* 但是，对于上面的例子，由于我们并没有对最后 `4` 个元素赋值，所以第 `26` 元素可能是 `'\0'`，也有可能第 `27` 个元素是 `'\0'`，也有可能第 `28` 个元素是 `'\0'`；不过，不要问`我`，`我`也不清楚，可能只有`上帝`才会知道，到底第`几`个元素才是 `'\0'`。而且，我们在定义数组的时候，设置数组的长度是 `30` ，但是貌似输出的字符串的长度是 `32` ，这早已超出了数组的范围，`printf()` 在输出字符串的时候，如果没有遇见 `'\0'` 是不会罢休的，它才不会管`数组访问`是不是`越界`。 +* 再或者，在生活中，我们必然需要用水，如果规定每个人一个月的用水量不能超过 `10t`，那么三口之间每个月的用水量就不能超过 `30t`。假设，由于水管老化或小动物（老鼠）的影响，而导致家中的水管产生轻微的破损，产生漏水的现象，如下所示： -> [!NOTE] -> -> * ① 由此可见，不注意`'\0'`的后果有多严重，不但不能正确处理字符串，甚至还会毁坏其它数据！！！ -> * ② C 语言为了提高效率，保证操作的灵活性，并不会对越界行为进行检查，即使越界了，也能够正常编译，只有在运行期间才可能发现问题，所以对程序员的要求很高。但是，现代化的高级编程语言，如：Java 等，为了降低开发难度以及提高开发效率，像数组这种越界行为，在编译期间就会由编译器提前捕获，并直接报错！！！ +![](./assets/5.jpg) -* 如果要避免这些问题也很简单，在字符串后面手动添加 `'\0'` 就可以了，即： - -```c {9} -#include -int main() { - char str[30]; - char c; - int i; - for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { - str[i] = c; - } - str[i] = '\0'; - printf("%s\n", str); - - return 0; -} -``` - -* 但是，上述的写法实在麻烦，为什么不在定义数组的时候，给数组中的每个元素都初始化，这样才能从根本上避免上述问题，即： - -```c {3} -#include -int main() { - char str[30] = {'\0'}; - char c; - int i; - for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { - str[i] = c; - } - printf("%s\n", str); - - return 0; -} -``` - -## 1.5 字符串的长度 - -* 所谓字符串的长度，就是字符串包含了多少个字符（不包括最后的结束符`'\0'`），如：`"abc"` 的长度是 `3` ，而不是 `4` 。 -* 在 C 语言中的 `string.h` 中提供了 `strlen()` 函数，能够帮助我们获取字符串的长度，如下所示： - -```c -size_t strlen (const char *__s) -``` - - - -* 示例： - -```c {13} -#include -#include -int main() { - char str[30] = {'\0'}; - char c; - int i; - for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { - str[i] = c; - } - // ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ - printf("%s\n", str); - // ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 的长度是 26 - printf("%s 的长度是 %zu\n", str, strlen(str)); - - return 0; -} -``` - - - -# 第二章：内存中的变量和数组（⭐） - -## 2.1 内存和内存地址 - -### 2.1.1 内存 - -* `内存`是一种`计算机硬件`，是`软件`在`运行过程`中，用来`临时存储数据`的。在生活中，最为常见的`内存`就是`随机存取存储器（RAM，内存条`），其特点如下所示： - * ① 生活中最常见的内存类型，用于存储当前运行的程序和数据。 - * ② 内存是易失性存储器，这意味着断电后数据会丢失。 - * ③ 它具有高速读写特性，适用于需要快速访问的操作。 - -* 内存条的外观，如下所示： - -![](./assets/4.jpeg) - -* 像我们平常使用`记事本`软件一样，当我们输入一些文字的时候，其实是将数据`临时`保存在内存中的，如下所示： - -> [!NOTE] -> -> * ① 目前，很多软件都很智能，如果用户没有将数据到保存文件中，将显示红色，以警告用户还没有保存数据，提醒用户需要尽快保存数据！！！ -> * ② 但是，也有很多软件提供了自动保存数据的功能，其原理就是定时（1s、3s、5s）将内存中的数据刷新到文件中，以防止数据丢失！！！ -> * ③ 将数据从内存存储到文件中，专业的说法是落盘（落在磁盘上）。 - -![](./assets/5.gif) - -* 此时，如果我们在没有保存的过程下，将`记事本`软件关闭，那么刚才输入的文字将丢失；下次，再打开同样的文件（将数据从磁盘加载进内存，再交给 CPU），之前输入的文字将不复存在，如下所示： - -> [!NOTE] -> -> * ① 目前，很多软件都很智能，如果你没有保存，将提醒你是否保存或丢失刚才输入的文字。 -> * ② 但是，也有很多软件提供了自动保存数据的功能，其原理就是定时（1s、3s、5s）将内存中的数据刷新到文件中，以防止数据丢失！！！ -> * ③ 将数据从内存存储到文件中，专业的说法是落盘（落在磁盘上）。 - -![](./assets/6.gif) +* 那么，家中隐藏的漏水问题在很长一段时间内是不会被注意到的。亦或者，假设每个人的用水量都没有限制，那么如果要用到 `30t` ，必然会比之前没有漏水的时候，产生的水费也要多很多。 > [!IMPORTANT] > -> 内存就是软件在运行过程中，用来临时存储数据的，最为重要的两个步骤就是： -> -> * ① 将数据`保存`到内存中。 -> * ② 从内存中的`对应位置`将数据`取出来`。 +> 官方定义：`内存泄漏`是指计算机程序无意中消耗的一种特定类型的内存，其中程序无法释放不再需要或使用的内存（这种内存虽然不再被程序使用，但仍然占据着系统资源），进而导致这些内存无法被系统或其他程序再次使用，随着时间的推荐，会逐渐耗尽系统内存，并最终导致系统性能下降。 -### 2.1.2 内存地址 +## 1.3 什么会触发内存泄漏？ -* 在这个计算机的内存条，动不动就 32GB、64GB 、128GB 或更高的年代，如下所示： +* 导致`内存泄漏`的原因很多，具体取决于编程语言、平台和特定的应用程序场景。以下是一些最常见的原因： + * ① **未关闭的资源**：未能关闭文件、数据库连接或网络套接字等资源可能会导致`内存泄漏`。如果这些资源保持打开状态，可能会随着时间的推移而累积并消耗大量内存。 + * ② **未释放的对象引用**：保留不再需要的对象引用可以防止垃圾回收器（在具有它们的语言中）回收内存。 + * ③ **循环引用**：在某些语言中，两个相互引用的对象可能会导致两个对象都无法被垃圾回收的情况，即使程序的其他部分没有引用它们。 + * ④ **静态集合**：使用随时间增长而从未清除的静态数据结构可能会导致`内存泄漏`。例如：将元素添加到静态列表而不删除它们可能会导致列表无限增长。 + * ⑤ **事件侦听器**：不分离事件侦听器或回调可能会导致`内存泄漏`，尤其是在 Web 浏览器等环境中。如果对象已附加到事件但不再使用，则不会对其进行垃圾回收，因为该事件仍包含对它的引用。 + * ⑥ **中间件和第三方库**：有时，`内存泄漏`的原因可能不在于应用程序代码，而在于它使用的中间件或第三方库。这些组件中的错误或低效代码可能会导致`内存泄漏`。 + * ⑦ **内存管理不当**：在开发人员手动管理内存的语言，如： C、C++ 中，使用后未能释放内存或使用 “悬空指针” 可能会导致泄漏。 + * ⑧ **内存碎片**：虽然不是传统意义上的泄漏，但碎片会导致内存使用效率低下。随着时间的推移，内存分配之间的小间隙会累积，从而难以分配更大的内存块。 + * ⑨ **孤立线程**：生成但未正确终止的线程可能会消耗内存资源。这些孤立线程会随着时间的推移而累积，尤其是在长时间运行的应用程序中。 + * ⑩ **缓存过度使用**：在没有适当驱逐策略的情况下实施缓存机制可能会导致内存无限消耗，尤其是在缓存无限增长的情况下。 -![](./assets/7.png) - -* 如果有一个 int （4 个字节）类型的数据 `2` ，如何将这个数据保存到内存中？（对应上述的步骤 ①） - -![](./assets/8.svg) - -* 就算数据 `2` 已经保存到内存中，那么内存中那么多的数据，我们又该如何取出呢？（对应上述的步骤 ②） - -![](./assets/9.svg) - -> [!IMPORTANT] -> -> 答案就是`内存地址`。 - -* 操作系统为了更快的去管理内存中的数据，会将`内存条`按照`字节`划分为一个个的`单元格`，如下所示： - -![](./assets/10.svg) - -> [!NOTE] -> -> 计算机中存储单位的换算，如下所示： -> -> - 1 B = 8 bit。 -> - 1 KB = 1024 B。 -> - 1 MB = 1024 KB。 -> - 1 GB = 1024 MB。 -> - 1 TB = 1024 GB 。 -> - …… - -* 为了方便管理，每个独立的小单元格，都有自己唯一的编号（内存地址），如下所示： - -![](./assets/11.svg) - -* 之所以，加了`内存地址`，就能`加快`数据的存取速度，可以类比生活中的`字典`： - - * 如果没有使用`拼音查找法`或`部首查找法`，我们需要一页一页，一行一行的，在整个字典中去搜索我们想要了解的汉字，效率非常低（如果要搜索的汉字在最后一页，可能需要将整个字典从头到尾翻一遍，这辈子真有可能翻得完？）。 - - ![](./assets/12.gif) - - * 如果使用`拼音查找法`或`部首查找法`，我们可以很快的定位到所要了解汉字所在的页数，加快了搜索的效率。 - - ![](./assets/13.jpg) - - ![](./assets/14.jpg) - -* 同样的道理，如果`没有`内存地址，我们只能一个个的去寻找想要的数据，效率非常低下，如下所示： - -![](./assets/15.gif) - -* 如果`使用`内存地址，我们就可以直接定位到指定的数据，效率非常高，如下所示： - -![](./assets/16.gif) - -> [!IMPORTANT] -> -> * ① 内存地址是计算机中用于标识内存中某个特定位置的数值。 -> * ② 每个内存单元都有一个唯一的地址，这些地址可以用于访问和操作存储在内存中的数据。 - - - -* 实际中的内存地址，并不是像上面的 `001` 、`002` 、... 之类的数字，而是有自己的规则，即：内存地址规则。 - -> [!NOTE] -> -> * ① 32 位的操作系统中，内存地址以 32 位的二进制表示。 -> * ② 64 位的操作系统中，内存地址以 64 位的二进制表示。 - -* 在 32 位的操作系统中，内存地址的范围是：`0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000` ~ `1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111` （2 ^ 32 次方）。 - -> [!NOTE] -> -> 在 32 位的操作系统中，一共有 4,294,967,296 个内存地址，其最大支持的内存大小是 4,294,967,296 字节，即 4 GB 。 - -* 在 64 位的操作系统中，内存地址的范围是：`0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000` ~ `1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111` （2 ^ 64 次方）。 - -> [!NOTE] -> -> * ① 在 64 位的操作系统中，一共有 18,446,744,073,709,551,616 个内存地址，其最大支持的内存大小是 18,446,744,073,709,551,616 字节，即 17,179 TB 。 -> * ② 虽然，从理论上 64 位的操作系统支持的内存最大容量是 17,179 TB；但是，实际操作系统会有所限制，如：win11 的 64 位支持的最大内存是 128 GB ~ 6 TB，Linux 64 位支持的最大内存通常是 256 TB。 - -* 在实际开发中，64 位操作系统的内存地址表现形式，如：`0000 0000 0000 0000 0001 0000 1111 1010 0000 0000 0010 0000 0000 0010 0000 1000`，实在是太长了，我们通常转换为十六进制，以方便阅读，如：`0x000010FA00200208` 。 - -> [!IMPORTANT] -> -> * ① 内存地址是内存中每个单元的编号。 ->* ② 内存地址的作用是操作系统用来快速管理内存空间的。 -> * ③ 在 32 位操作系统上，内存地址以 32 位的二进制数字表示，最大支持的的内存是 4 GB，所以 32 位操作系统已经被淘汰。 -> * ④ 在 64 位操作系统上，内存地址以 64 位的二进制数字表示，由于表示形式太长，我们通常会转为十六进制，以方便阅读。 - -## 2.2 内存中的变量 - -* 在 C 语言中，数据类型的种类很多，如：short、int、long、float、double、char 等。以 int 类型为例，在 32 位或 64 位操作系统中的，int 类型的变量都是占 4 个字节，当我们在代码中这么定义变量，如： +* 在 C 语言中，可以使用 `while` 循环并结合 `malloc` 函数来实现一个内存泄漏的例子，即： ```c -#include - -int main(){ - - // 定义一个变量并初始化 - int a = 10; - - return 0; -} -``` - -* 那么，编译器就会这么处理，如下所示： - -![](./assets/17.svg) - -* 在代码中，我们可以使用 `&变量名` 来获取一个变量的内存首地址，如下所示： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义一个变量并初始化 - int a = 10; - - printf("变量 a 的首地址是: %p\n", &a); // 变量 a 的首地址是: 0000002bf1dffd0c - printf("变量 a 的中保存的值是: %d\n", a); // 变量 a 的中保存的值是: 10 - - return 0; -} -``` - -> [!NOTE] -> -> * ① `变量`是对程序中`数据`在内存中存储空间的抽象，如果不涉及到指针变量，那我们在编码的时候，就只需要将变量等价于内存中存储空间里面存储的数据，而不需要再去考虑编译器底层是如何转换，提高了开发效率（机器语言和汇编可不是这样的，需要关注每个细节）。 -> * ② 数据类型只在`定义`变量的时候`指定`，而且必须指定；`使用`变量的时候`无需`再声明，因为此时的数据类型已经确定了。 - -## 2.3 内存中的数组 - -* 如果我们在代码中这么定义数组，如下所示： - -```c -#include - -int main(){ - - // 定义一个数组并初始化 - int arr[] = {1,2,3}; - - return 0; -} -``` - -* 那么，编译器就会这么处理，如下所示： - -![](./assets/18.svg) - -* 在代码中，我们可以直接打印数组名的内存地址，如下所示： - -```c -#include - -int main() { - - int arr[] = {1, 2, 3}; - - printf("arr 的首地址是: %p \n", arr); // arr 的首地址是: 0000003a6f7ffcd4 - printf("arr 的首地址是: %p \n", &arr); // &arr 的地址是: 0000003a6f7ffcd4 - printf("arr[0] 的地址是: %p \n", &arr[0]); // arr[0] 的地址是: 0000003a6f7ffcd4 - printf("arr[1] 的地址是: %p \n", &arr[1]); // arr[1] 的地址是: 0000003a6f7ffcd8 - printf("arr[2] 的地址是: %p \n", &arr[2]); // arr[2] 的地址是: 0000003a6f7ffcdc - - return 0; -} -``` - -> [!WARNING] -> -> 在上述示例中，`arr` 和 `&arr` 的值是一样的，但是对应的含义是不同的。 -> -> * ① `arr` 是数组名，在大多数情况下会转换为数组第一个元素的地址，即：`arr` 等价于 `&arr[0]`，其数据类型是 `int *`。 -> * ② `&arr`是数组名的地址，即整个数组的地址，它指向数组本身，并不是数组第一个元素的地址，`&arr` 的数据类型是 `int(*)[3]`。 - - - -# 第三章：数组越界和数组溢出（⭐） - -## 3.1 数组越界 - -* C 语言的数组是静态的，当我们定义的时候，就不能自动扩容。当我们试图访问数组的`负索引`或`超出`数组长度的索引时，就会产生`数组越界`。 - -> [!NOTE] -> -> * ① C 语言为了提高效率，保证操作的灵活性，并不会对越界行为进行检查，即使越界了，也能够正常编译，只有在运行期间才可能发现问题，所以对程序员的要求很高。 -> * ② 但是，现代化的高级编程语言，如：Java 等，为了降低开发难度以及提高开发效率，像数组这种越界行为，在编译期间就会由编译器提前捕获，并直接报错！！！ - -* 请看下面的代码： - -```c {9-10,15} -#include - -int main() { - // 禁用 stdout 缓冲区 - setbuf(stdout, NULL); - - int arr[3] = {10, 20, 30}; - - printf("arr[-1] = %d\n", arr[-1]); // arr[-1] = -23718968 - printf("arr[-2] = %d\n", arr[-2]); // arr[-2] = 0 - printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 10 - printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 20 - printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 30 - printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = -23718976 - printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 605 - - return 0; -} -``` - -* 越界访问数组元素的值都是不确定的，没有实际的含义，因为在数组之外的内存，我们并不知道到底是什么，可能是其它变量的值，可能是函数参数，也可能是一个地址，这些都是不可控的。 - -> [!NOTE] -> -> 由于 C 语言的”放任“，我们访问数组时必须非常小心，要确保不会发生越界。 - -* 当发生数组越界时，如果我们对该内存有使用权限，那么程序将正常运行，但会出现不可控的结果，即：如果我们对该内存没有使用权限，或者该内存压根就没有就分配，那么程序就会崩溃，如下所示： - -```c -#include - -int main() { - int arr[3] = {0}; - printf("%d", arr[10000]); - return 0; -} -``` - -* 其结果，如下所示： - -![](./assets/19.png) - -> [!NOTE] -> -> * ① 每个程序能使用的内存都是有限的，该程序要访问 `4*10000` 字节处的内存，显然太远了，超出了程序的访问范围。 -> * ② 这个地方的内存可能没有被分配，可能是系统本身占用的内存，可能是其它数据的内存，如果放任这种行为，将带来非常危险的后果，操作系统只能让程序停止运行。 - -* 当然，我们在实际开发中，也不会这么访问，而是会使用 `sizeof` 运算符来获取数组的长度，进而遍历数组中的元素，即： - -```c {7} -#include - -int main() { - int arr[3] = {0}; - - // 获取数组的元素 - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); - - for (size_t i = 0; i < length; i++) { - printf("%d\n", arr[i]); - } - return 0; -} -``` - -## 3.2 数组溢出 - -* 数组溢出通常是指将数据存储到一个数组中，超出了数组所能容纳的空间，那么多余的元素就会被丢弃。对于一般的数组，貌似没什么问题，如下所示： - -```c -#include - -int main() { - int arr[3] = {0, 1, 2, 3, 4}; - - size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); - - for (size_t i = 0; i < length; i++) { - printf("%d\n", arr[i]); - } - return 0; -} -``` - -* 其结果，如下所示： - -![](./assets/20.png) - -* 但是，对于字符串而言，就会出现不可控的情况，如下所示： - -```c {4} -#include -int main() -{ - char str[10] = "Hello World，Hello World，Hello World，"; - puts(str); - return 0; -} -``` - -* 其结果，如下所示： - -![](./assets/21.png) - -* 因为字符串的长度大于数组的长度，数组只能容纳字符串前面的一部分，即使编译器在字符串最后保存了 `'\0'`，也无济于事，因为超过数组长度的元素都会被丢弃。而 `printf()` 输出字符串时，会从第 `0` 个元素开始往后检索，直到遇见`'\0'`才停止，然后把`'\0'`前面的字符全部输出，至于何时遇到 `'\0'`，就只有上帝才能知道。 - -> [!NOTE] -> -> * ① 在用字符串给字符数组赋值时，要保证数组长度大于字符串长度，以容纳结束符`'\0'`。 -> * ② `数组溢出`通常发生在动态分配内存或者通过不安全的函数（如： `strcpy`）进行字符串操作。 - - - -# 第四章：C 语言中的数组 VS Java 语言中的数组（⭐） - -## 4.1 Linux 下 32 位环境的用户空间内存分布情况 - -* 对于 32 位的环境而言，理论上程序是可以拥有 4GB 的虚拟地址空间的，在 C 语言中使用到的变量、函数、字符串等都会对应内存中的一块区域。 -* 但是，在这 4GB 的地址空间中，要拿出一部分给操作系统内核使用，应用程序无法直接访问这一段内存，这一部分内存地址被称为`内核空间`（Kernel Space）。 - -> [!NOTE] -> -> - ① Windows 在默认情况下会将高地址的 2GB 空间分配给内核（也可以配置为 1GB）。 -> - ② 而 Linux 默认情况下会将高地址的 1GB 空间分配给内核。 - -* 也就是说，应用程序只能使用剩下的 2GB 或 3GB 的地址空间，称为`用户空间`（User Space）。 -* Linux 下 32 位环境的经典内存模型，如下所示： - -![](./assets/22.svg) - -* 各个内存分区的说明，如下所示： - -| 内存分区 | 说明 | -| :------------------------ | :----------------------------------------------------------- | -| 程序代码区（code） | 存储程序的执行代码，通常为只读区，包含程序的指令。 程序启动时，这部分内存被加载到内存中，并不会在程序执行期间改变。 | -| 常量区（constant） | 存放程序中定义的常量值，通常也是只读的，这些常量在程序运行期间不可修改。 | -| 全局数据区（global data） | 存储程序中定义的全局变量和静态变量。 这些变量在程序的整个生命周期内存在，且可以被修改。 | -| 堆区（heap） | 用于动态分配内存，例如：通过 `malloc` 或 `new` 分配的内存块。 堆区的内存由程序员手动管理，负责分配和释放。 如果程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。 | -| 动态链接库 | 动态链接库（如： `.dll` 或 `.so` 文件）被加载到内存中特定的区域，供程序运行时使用。 | -| 栈区（stack） | 用于存储函数调用的局部变量、函数参数和返回地址。 栈是自动管理的，随着函数的调用和返回，栈上的内存会自动分配和释放。 | - -> [!NOTE] -> -> - ① 程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，不能销毁也不能增加（大小已被固定），只能等到程序运行结束后由操作系统收回，所以全局变量、字符串常量等在程序的任何地方都能访问，因为它们的内存一直都在。 -> - ② 函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。 -> - ③ 常量区、全局数据区、栈上的内存由系统自动分配和释放，不能由程序员控制。程序员唯一能控制的内存区域就是`堆`（Heap）：它是一块巨大的内存空间，常常占据整个虚拟空间的绝大部分，在这片空间中，程序可以申请一块内存，并自由地使用（放入任何数据）。堆内存在程序主动释放之前会一直存在，不随函数的结束而失效。在函数内部产生的数据只要放到堆中，就可以在函数外部使用。 - -## 4.2 C 语言中的数组 - -* 之前，我们都是这么使用数组的，如下所示： - -```c -#include - -int main() { - - // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 - int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; - - return 0; -} -``` - -* 其实，这样定义的数组是在`栈`中的，而栈的内存空间是有限的，如果数组中的元素过多，将会出现 `Stack Overflow` 的现象，即：栈溢出。 - -> [!NOTE] -> -> * ① 栈内存的大小和编译器有关，编译器会为栈内存制定一个最大值。 -> * ② 在 VS 中，默认是 1 MB；在 GCC 下，默认是 8 MB。 -> * ③ 虽然可以通过参数来修改栈内存的大小；但是，在实际开发中，我们一般也不会这么做。 - -* 所以，在实际开发中，如果我们要使用数组，就需要在`堆`中开辟内存空间，因为堆中的内存空间是可以动态扩容和缩容的，只不多在 C 语言中对于堆中申请的内存空间，需要程序员在用完之后，手动释放掉；否则，将会造成内存泄漏现象。 - -```c -#include +#include #include int main() { - int n; // 数组的大小 - printf("请输入数组的大小: "); - scanf("%d", &n); - - // 使用 malloc 申请内存，申请 n 个 int 类型的空间 - int *array = (int *)malloc(n * sizeof(int)); - - // 检查 malloc 是否成功 - if (array == NULL) { - printf("内存分配失败！\n"); - return 1; // 程序退出 + while (true) { // 死循环 + malloc(1024); // 分配1024个字节的内存 } - - // 初始化数组并输出 - for (int i = 0; i < n; i++) { - array[i] = i + 1; // 简单赋值操作 - printf("array[%d] = %d\n", i, array[i]); - } - - // 使用完毕后，释放内存 - free(array); - return 0; } ``` -## 4.3 Java 语言中的数组 +* 如果我们在 Windows 上运行该程序，就可以打开 Windows 的任务管理器（快捷键是`Ctrl + Shift + ESC`），将会发现内存的使用率在飙升。当然，稍等片刻后程序会被终止，是因为 Windows 的内存管理机制，发现我们的程序占用内存太多，会让它崩溃，防止系统卡死（其它的操作系统也有相应的措施）。 -* Java 语言和 C 语言不同，Java 语言从语法层面就将数组在内存中的分配放到了`堆`中。 +![](./assets/6.gif) -```c -public class Test { - - public static void main(String[] args){ - // 在堆内存开辟数组，使用完毕后，不需要手动回收对应的内存空间 - int[] arr = new int[4] ; - } -} -``` +## 1.4 内存泄漏会导致什么后果？ + +* ① **内存使用量增加**：随着泄漏和释放的内存越来越多，整体系统内存使用量会增加。这会减少可用于其他进程和应用程序的内存，从而降低系统速度。 +* ② **增加分页**：随着`内存泄漏`的累积，系统可能会开始将内存内容交换到磁盘以释放 RAM，从而导致更多的磁盘 I/O。这会导致性能降低，因为磁盘操作比内存操作慢得多。 +* ③ **内存不足错误**：如果`内存泄漏`足够多，系统最终可能会完全耗尽可用内存。这可能会导致崩溃、内存分配失败和程序终止。 +* ④ **资源争用**：较高的内存使用率还会导致对缓存和资源（如：CPU 时间等）的更多争用，因为系统尝试管理有限的资源。这会进一步降低性能。 +* ⑤ **应用程序不稳定**：随着内存使用量随着时间的推移而增长，存在`内存泄漏`的应用程序可能会遇到崩溃、意外行为和间歇性故障。这会导致不稳定和可靠性问题。 +* ⑥ **安全风险**：`内存泄漏`会使数据在内存中的延迟时间超过预期。此数据可能包含密码、密钥或其他敏感信息，如果恶意软件或攻击者访问这些信息，则会带来安全风险。 + +## 1.5 检测内存泄漏的工具或技术 + +* ① **分析工具**： + * ① Valgrind：用于构建动态分析工具的检测框架，最有名的 Memcheck 的套件，可以检测 C 和 C++ 程序中的内存泄漏。 + * ② Java VisualVM：适用于 Java 应用程序的监控、故障排除和分析工具。 + * ③ .NET Memory Profiler：用于查找内存泄漏并优化 .NET 应用程序中的内存使用的工具。 + * ④ Golang pprof：该工具可让您收集 Go 程序的 CPU 配置文件、跟踪和堆配置文件。 + +* ② **浏览器开发工具**：Chrome、Firefox 和 Edge 等现代 Web 浏览器附带内置的开发人员工具，可帮助识别 Web 应用程序中的内存泄漏，尤其是 JavaScript 中的内存泄漏。 + +* ③ **静态分析**：Lint、SonarQube 或 Clang Static Analyzer 等工具可以扫描代码以识别可能导致内存泄漏的模式。 + +* ④ **自动化测试**：将内存泄漏检测整合到自动化测试中有助于在开发周期的早期捕获泄漏，如：JUnit（适用于 Java）或 pytest（适用于 Python）等工具可以与内存分析工具集成，以自动执行此过程。 + +* ⑤ **堆分析**：检查应用程序的堆转储，可以深入了解正在消耗内存的对象，如：Eclipse MAT（内存分析器工具）或 Java 堆分析工具 （jhat）等工具可以协助进行此分析。 + +* ⑥ **指标**：实施指标来监控一段时间内的内存使用情况，有助于识别导致内存消耗增加的模式或特定操作，如：Prometheus 和 Grafana 等。 + +* ⑦ **第三方库和中间件**：一些第三方解决方案提供内置的内存泄漏检测功能。如果我们怀疑这些组件可能是泄漏源，则必须查看与这些组件相关的文档或论坛。 +* ⑧ **手动代码审查**：有时，识别内存泄漏的最佳方法是对代码进行彻底的手动审查，尤其是在分配和释放内存的区域中。 +* ⑨ **压力测试**：在高负载或长时间运行应用程序，有助于暴露在正常情况下可能不明显的内存泄漏。 + +## 1.6 如何避免内存泄漏？ + +* ① **及时释放内存**：在程序中，确保在不再需要使用内存时及时释放它。 +* ② **智能指针**：使用智能指针来帮助在 C++ 等编程语言中进行自动内存管理。 +* ③ **将编程语言与垃圾回收器一起使用**：内存分配和释放由 Python 和 Java 等编程语言自动处理，这些语言包含内置的垃圾收集系统。 +* ④ **利用内存管理策略：** 有效的内存管理可以防止内存泄漏。这包括始终监控我们的软件使用了多少内存，并了解何时分配和取消分配内存，即：检测内存泄漏的工具或技术。 + +## 1.7 总结 + +* **内存泄漏**是由于未释放不再使用的内存，导致内存资源逐渐减少，但不会立即导致程序崩溃，而是`长时间`运行后可能出现性能问题或最终崩溃。 + + + +# 第二章：内存溢出（Out Of Memory，OOM） + +## 2.1 概述 + +* 首先，说明一点，在国内的很多文章中，都将 `Out Of Memory（OOM）`翻译为 `内存溢出`，但是本人认为翻译为`内存不足`更为贴切。 +* 在生活中，我们在使用计算机的时候，可能会遇到打开视频网站的时候，视频网站崩溃了，并且在浏览器上显示报错信息`Error Code Out Of Memory`，如下所示： + +![](./assets/7.png) + +* 当然，我们在使用微软办公套件，如：Outlook 的时候，可能也会遇到系统提示 `Out Of Memory`，如下所示： + +![](./assets/8.jpg) + +* 亦或者，我们在打游戏的时候，会遇到系统提示 `Out Of Memory`，如下所示： + +![](./assets/9.png) + +* 上述的种种情景，都表明了内存溢出（内存不足，OOM）是`立即显现`的问题，尤其是当系统无法分配足够内存时，会直接导致程序崩溃或异常。 > [!NOTE] > -> * ① 在 Java 语言中，数组的内存分配是由 JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）自动管理的，开发者不需要像在 C 语言中那样手动调用 `malloc` 来申请内存。Java 提供了更加高级的内存管理机制，所有数组在堆中动态分配。 -> * ② 在 Java 中，声明和初始化数组的过程本质上就是在堆内存中分配数组内存的过程。每个数组在创建时都会被分配到堆中，并且由垃圾回收机制（Garbage Collector，GC）自动负责内存的回收。 -> * ③ 我们甚至可以理解为：Java 语言是 C 语言在实际开发过程中的最佳实践版本。 +> * ① 内存泄漏是一种`逐渐积累`的问题，会耗尽系统内存，可能最终导致内存不足（理解：站着茅坑不拉稀，最终可能导致可用的茅坑越来越少，后面的人就只能等着o(╥﹏╥)o）。 +> * ② 内存溢出（不足）是一种`立即显现`的问题，当系统无法分配足够内存时，会`直接`导致程序崩溃或异常（理解：大象塞进冰箱，冰箱不是无限大，最终可能导致大象身体的一部分露出来，这不就`溢出`吗？换言之，就是冰箱（内存）的容量有限啊，`不`能满`足`实际需要）。 +> [!IMPORTANT] +> +> 官方定义：当计算机没有足够的内存来执行操作或运行应用程序时，会发生内存不足 （OOM） 错误。此内存可以是`物理 RAM`（随机存取内存） 或`虚拟内存`，它使用磁盘空间扩展物理内存。当系统耗尽可用内存时，它无法再满足`内存分配`请求，从而导致 OOM 错误。此错误表示除非释放或添加内存，否则系统无法处理进一步的需求。 + +## 2.2 什么会触发内存溢出？ + +* 导致`内存溢出`的原因很多，具体取决于编程语言、平台和特定的应用程序场景。以下是一些最常见的原因： + * ① **无限循环或递归**：如果程序中的循环或递归没有正确终止条件，可能会一直运行，消耗掉所有可用内存。 + * ② **内存泄漏**：程序不断分配内存而不释放，最终导致可用内存耗尽。这通常是因为程序在使用完某些数据后，没有正确地释放相关的内存。 + * ③ **处理大数据集**：如果程序试图一次性加载或处理一个超大的数据集，而该数据集的大小超过了系统的可用内存，这可能会导致内存溢出。 + * ④ **资源过度分配**：一些程序在运行时，可能会为某些资源（如缓存、临时数据）分配过多的内存，导致整体系统内存不足。 + * ⑤ **错误的内存管理**：在手动管理内存的编程语言中（如：C 或 C++），如果程序错误地管理内存（如：重复释放、未释放或非法访问内存），也可能引发内存泄漏，进而导致内存溢出。 + * ⑥ **并发操作**：如果多个进程或线程并发地进行大量内存分配操作，且这些操作没有得到有效控制，也可能导致系统内存被耗尽。 + * ⑦ **外部库或工具的 Bug**：使用的第三方库或工具中存在内存管理相关的 bug，也可能导致内存溢出。 + +## 2.3 如何避免内存溢出？ + +* ① **优化数据处理**： + * 分块处理大数据集：如果需要处理大数据集，可以将数据分块处理，而不是一次性加载整个数据集到内存中。例如：处理大型文件时，可以逐行读取或分批读取。 + * 使用流式处理：对于需要处理大量数据的操作，可以采用流式处理（streaming），这样只保留当前处理的部分数据在内存中，而非全部数据。 +* ② **管理对象生命周期**： + * 及时释放不再使用的对象：在使用动态分配内存的编程语言（如：C++、C#、Java 等）时，确保在对象不再需要时及时释放内存。即使在使用垃圾回收机制的语言（如：Java、Python），也要尽量避免保留对不必要对象的引用，以便垃圾回收器可以及时清理它们。 + * 使用智能指针或自动内存管理：在手动管理内存的编程语言中，使用智能指针（如：C++中的`std::unique_ptr`或`std::shared_ptr`）来自动管理内存，减少内存泄漏的风险。 +* ③ **优化算法**： + * 选择更高效的算法：对于需要大量计算或数据处理的任务，选择内存占用更少的算法。例如：尽量使用原地（in-place）算法，它们不需要额外的内存空间。 + * 减少冗余数据：避免在内存中存储冗余数据，尽可能在计算过程中利用已有的数据结构，避免重复分配相同的数据。 +* ④ **监控和调试**： + * 使用内存分析工具：在开发过程中，使用内存分析工具（如：Valgrind、VisualVM、Py-Spy等）来监控程序的内存使用情况，查找和修复内存泄漏或不必要的内存分配。 + * 设置内存使用限制：在某些环境中，可以设置程序的最大内存使用量，这样当程序达到内存限制时，可以捕捉并处理内存溢出的情况。 +* ⑤ **避免无限循环和递归** + - 设置循环或递归的终止条件：确保所有循环和递归都有明确的终止条件，避免因逻辑错误导致无限执行，从而耗尽内存。 + - 使用尾递归优化：在支持尾递归优化的语言中，尽量使用尾递归，以减少递归调用带来的内存消耗。 +* ⑥ **并发编程中的内存管理**： + * 控制并发操作的内存分配：在并发编程中，尽量避免多个线程或进程同时大量分配内存。可以通过任务分配、锁机制等方式合理控制并发操作的内存使用。 + * 避免死锁：确保在并发编程中避免死锁情况，因为死锁可能会导致内存资源无法被释放，从而引发内存溢出。 +* ⑦ **使用适当的数据结构**： + * 选择合适的数据结构：根据需要选择内存效率更高的数据结构。例如，使用数组而不是链表来存储连续的数据，使用哈希表来提高查找效率等。 + * 避免不必要的缓存：在程序中使用缓存时，确保缓存的大小是合理的，并且有清理机制，防止缓存占用过多内存。 + +> [!NOTE] +> +> 避免内存溢出通常需要良好的内存管理实践，如：优化数据处理算法、合理控制资源分配、以及定期检查和释放不再使用的内存。 + +## 2.4 总结 + +* `内存溢出`则是由于内存资源耗尽，程序试图分配新内存时失败，通常会导致程序的`立即`崩溃或异常终止。 + + + +# 第三章：内存泄漏 VS 内存溢出 + +## 3.1 概述 + +* `内存泄漏`是由于未释放不再使用的内存导致内存资源逐渐减少，但不会立即导致程序崩溃，而是长时间运行后可能出现性能问题或最终崩溃。 +* `内存溢出`则是由于内存资源耗尽，程序试图分配新内存时失败，通常会导致程序的立即崩溃或异常终止。 + +> [!NOTE] +> +> * ① `内存泄漏`和`内存溢出`都与内存管理不当有关，但它们发生的机制和直接影响是不同的。 +> * ② 避免`内存泄漏`和`内存溢出`都是编写高效、可靠软件的重要方面。 + +## 3.2 内存泄漏和内存溢出的联系和区别 + +> [!IMPORTANT] +> +> `内存泄漏`和`内存溢出`之间并不是必然的因果关系，而是两者可能会相互影响。 +* ① `内存泄漏`导致`内存溢出`的可能性： + * 如果一个程序长期运行并且持续发生`内存泄漏`，未被释放的内存会慢慢积累，最终占用系统的大部分内存资源。如果`内存泄漏`严重到占用了所有可用内存，那么程序就会因为无法再分配新的内存，而出现`内存溢出`（Out of Memory）的情况。 + * 因此，`内存泄漏`可以**间接**地导致`内存溢出`，特别是在长时间运行的程序或系统中。 +* ② `内存泄漏`和`内存溢出`的区别： + * `内存泄漏`是指程序持续占用内存却不释放，导致可用内存逐渐减少。这种情况可能会在`长时间`内不显现问题，特别是如果程序只泄漏了少量内存。 + * `内存溢出`则是一个更`急剧`的问题，它通常在程序尝试分配超过系统可用内存的大块内存时`立刻`发生，导致程序崩溃或异常终止。 +* ③ 不必然性： + * 一个程序可能会发生`内存泄漏`，但因为泄漏的内存量很小，系统资源丰富，所以在短时间内不会出现`内存溢出`。 + * `内存溢出`也可以在没有`内存泄漏`的情况下发生，如：一个程序需要处理非常大的数据集，直接导致内存不足。 +> [!IMPORTANT] +> +> * ① `内存泄漏`有可能会在长时间积累后导致`内存溢出`，但这并不是必然的。 +> * ② `内存溢出`可以在多种情况下发生，而`内存泄漏`只是其中可能的一个诱因。 +> * ③ 因此，虽然`内存泄漏`可能最终引发`内存溢出`，但两者之间并非每次都是直接关联的。 + + + +# 第四章：内存泄漏检测和性能分析（⭐） + +## 4.1 内存泄漏检测 + +### 4.1.1 概述 + +* C 语言中的指针是否使用是个颇具争议的话题，现代化的高级编程语言通过各种策略和机制，在编译期就能解决指针危险的问题。但是，遗憾的是，C 语言的指针很大程度上，在运行期才会暴露问题。 +* 幸运的是，我们可以使用 `Valgrind` 项目来进行`内存泄漏检测`和`性能分析`，而 `Valgrind` 只支持 Linux 。 + +### 4.1.2 安装 + +* 在 WSL2 上安装 Valgrind ： + +```shell +dnf -y upgrade && dnf -y install valgrind # AlmaLinux +``` + +```shell +apt -y update && apt -y upgrade && apt -y install valgrind # Ubuntu +``` + +![](./assets/10.gif) + +* 查看 valgrind 可执行文件的安装位置： + +```shell +which valgrind +``` + +![](./assets/11.gif) + +### 4.1.3 整合 + +* CLion 中将工具链设置为 WSL2 ： + +![](./assets/12.gif) + +* CLion 中配置 valgrind 的路径： + +![](./assets/13.png) + +* 查看 WSL2 中 cmake 的版本： + +```shell +cmake --version +``` + +![](./assets/14.png) + +* 修改项目中 CMakeLists.txt 中 cmake 的版本： + +```{1} txt +cmake_minimum_required(VERSION 3.26.5) # 3.26.5 + +# 项目名称和版本号 +project(c-study VERSION 1.0 LANGUAGES C) + +# 设置 C 标准 +set(CMAKE_C_STANDARD 23) +set(CMAKE_C_STANDARD_REQUIRED True) + +# 辅助函数，用于递归查找所有源文件 +function(collect_sources result dir) + file(GLOB_RECURSE new_sources "${dir}/*.c") + set(${result} ${${result}} ${new_sources} PARENT_SCOPE) +endfunction() + +# 查找顶层 include 目录（如果存在） +if (EXISTS "${CMAKE_SOURCE_DIR}/include") + include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/include) +endif () + +# 查找所有源文件 +set(SOURCES) +collect_sources(SOURCES ${CMAKE_SOURCE_DIR}) + +# 用于存储已经处理过的可执行文件名，防止重复 +set(EXECUTABLE_NAMES) + +# 创建可执行文件 +foreach (SOURCE ${SOURCES}) + # 获取文件的相对路径 + file(RELATIVE_PATH REL_PATH ${CMAKE_SOURCE_DIR} ${SOURCE}) + # 将路径中的斜杠替换为下划线，生成唯一的可执行文件名 + string(REPLACE "/" "_" EXECUTABLE_NAME ${REL_PATH}) + string(REPLACE "\\" "_" EXECUTABLE_NAME ${EXECUTABLE_NAME}) + string(REPLACE "." "_" EXECUTABLE_NAME ${EXECUTABLE_NAME}) + + # 处理与 CMakeLists.txt 文件同名的问题 + if (${EXECUTABLE_NAME} STREQUAL "CMakeLists_txt") + set(EXECUTABLE_NAME "${EXECUTABLE_NAME}_exec") + endif () + + # 检查是否已经创建过同名的可执行文件 + if (NOT EXECUTABLE_NAME IN_LIST EXECUTABLE_NAMES) + list(APPEND EXECUTABLE_NAMES ${EXECUTABLE_NAME}) + + # 链接 math 库 + LINK_LIBRARIES(m) + + # 创建可执行文件 + add_executable(${EXECUTABLE_NAME} ${SOURCE}) + + # 查找源文件所在的目录，并添加为包含目录（头文件可能在同一目录下） + get_filename_component(DIR ${SOURCE} DIRECTORY) + target_include_directories(${EXECUTABLE_NAME} PRIVATE ${DIR}) + + # 检查并添加子目录中的 include 目录（如果存在） + if (EXISTS "${DIR}/include") + target_include_directories(${EXECUTABLE_NAME} PRIVATE ${DIR}/include) + endif () + + # 检查并添加 module 目录中的所有 C 文件（如果存在） + if (EXISTS "${DIR}/module") + file(GLOB_RECURSE MODULE_SOURCES "${DIR}/module/*.c") + target_sources(${EXECUTABLE_NAME} PRIVATE ${MODULE_SOURCES}) + endif () + endif () +endforeach () +``` + +* 在 CLion 中正常运行代码： + +![](./assets/15.gif) + +* 在 CLion 中通过 valgrind 运行代码： + +![](./assets/16.gif) + +## 4.2 性能分析 + +### 4.2.1 概述 + +* `perf` 是一个 Linux 下的性能分析工具，主要用于监控和分析系统性能。它可以帮助开发者和系统管理员了解系统中哪些部分在消耗资源、识别性能瓶颈以及分析程序的运行效率。 + +### 4.2.2 安装 + +#### 4.2.2.1 AlmaLinux9 + +* 在 WSL2 中的 AlmaLinux 安装 perf ： + +```shell +dnf -y install perf +``` + +![](./assets/17.gif) + +#### 4.2.2.2 Ubuntu 22.04 + +* 在 WSL2 中的 Ubuntu 安装 perf ： + +```shell +apt -y update \ + && apt -y install linux-tools-common \ + linux-tools-generic linux-tools-$(uname -r) +``` + +![](./assets/18.gif) + +> [!NOTE] +> +> 之所以报错的原因，在于 WSL2 中的 Ubuntu 的内核是定制化的（微软自己维护的），并非 Ubuntu 的母公司 Canonical 发布的标准内核，所以需要我们手动编译安装。 + +* 查看内核版本： + +```shell +uname -sr +``` + +![](./assets/19.gif) + +* 设置环境变量，方便后续引用： + +```shell +export KERNEL_VERSION=$(uname -r | cut -d'-' -f1) +``` + +![](./assets/20.gif) + +* 安装依赖库： + +```shell +apt -y update && \ + apt -y install binutils-dev debuginfod default-jdk \ + default-jre libaio-dev libbabeltrace-dev libcap-dev \ + libdw-dev libdwarf-dev libelf-dev libiberty-dev \ + liblzma-dev libnuma-dev libperl-dev libpfm4-dev \ + libslang2-dev libssl-dev libtraceevent-dev libunwind-dev \ + libzstd-dev libzstd1 python3-setuptools python3 \ + python3-dev systemtap-sdt-dev zlib1g-dev bc dwarves \ + bison flex libnewt-dev libdwarf++0 \ + libelf++0 libbfb0-dev python-dev-is-python3 +``` + +![](./assets/21.gif) + +* 下载源码： + +```shell +git clone \ + --depth 1 \ + --single-branch --branch=linux-msft-wsl-${KERNEL_VERSION} \ + https://github.com/microsoft/WSL2-Linux-Kernel.git +``` + +![](./assets/22.gif) + +* 编译内核代码： + +```shell +cd WSL2-Linux-Kernel +``` + +```shell +make -j $(nproc) KCONFIG_CONFIG=Microsoft/config-wsl +``` + +![](./assets/23.gif) + +* 编译 perf 工具： + +```shell +cd tools/perf +``` + +```shell +make clean && make +``` + +![](./assets/24.gif) + +* 复制到 PATH 变量所指向的路径中： + +```shell +cp perf /usr/bin/ +``` + +![](./assets/25.gif) + +### 4.2.3 整合 + +* CLion 中配置 perf 的路径： + +![](./assets/26.png) + +* 在 CLion 中通过 perf 运行代码： + +![](./assets/27.gif) diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/1.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/1.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/1.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/1.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/10.jpg b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/10.jpg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/10.jpg rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/10.jpg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/11.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/11.png new file mode 100644 index 0000000..def1d93 Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/11.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/12.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/12.png new file mode 100644 index 0000000..d286f2d Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/12.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/13.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/13.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/13.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/13.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/14.jpg b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/14.jpg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/14.jpg rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/14.jpg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/15.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/15.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/15.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/15.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/16.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/16.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/16.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/16.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/17.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/17.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/17.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/17.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/18.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/18.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/18.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/18.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/19.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/19.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/19.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/19.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/2.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/2.png new file mode 100644 index 0000000..e4c8b48 Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/2.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/2.svg+xml b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/2.svg+xml similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/2.svg+xml rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/2.svg+xml diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/20.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/20.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/20.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/20.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/21.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/21.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/09_xdx/assets/21.png rename to docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/21.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/3.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/3.png new file mode 100644 index 0000000..37855ed Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/3.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/4.png b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/4.png new file mode 100644 index 0000000..d1585cc Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/4.png differ diff --git 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0000000..f61e018 Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/assets/9.png differ diff --git a/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/index.md b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/index.md new file mode 100644 index 0000000..2eda323 --- /dev/null +++ b/docs/notes/01_c-basic/11_xdx/index.md @@ -0,0 +1,1357 @@ +# 第一章：数组的概念 + +## 1.1 为什么需要数组？ + +### 1.1.1 需求分析 1 + +* 需要统计某公司 50 个员工的工资情况，例如：计算平均工资、最高工资等。如果使用之前的知识，我们需要声明 50 个变量来分别记录每位员工的工资，即： + +```c +#include + +int main(){ + + double num1 = 0; + double num2 = 0; + double num3 = 0; + ... + printf("请输入第 1 个员工的工资："); + scanf("%lf",&num1); + printf("请输入第 2 个员工的工资："); + scanf("%lf",&num2); + printf("请输入第 3 个员工的工资："); + scanf("%lf",&num3); + ... + return 0; +} +``` + +* 这样会感觉特别机械和麻烦（全是复制（Ctrl + c）和粘贴（Ctrl + v），CV 大法）；此时，我们就可以将所有的`数据`全部存储到一个`容器（数组）`中进行统一管理，并进行其它的操作，如：求最值、求平均值等，如下所示： + +```c +#include + +int main(){ + // 声明数组 + double nums[50]; + // 数组的长度 + int length = sizeof(nums) / sizeof(double); + // 使用 for 循环向数组中添加值 + for(int i = 0;i < length;i++){ + printf("请输入第 &d 个员工的工资：",i); + scanf("%lf",&num[i]); + } + // 其它操作，如：求最值，求平均值等 + ... + return 0; +} +``` + +### 1.1.2 需求分析 2 + +* 在现实生活中，我们会使用很多 APP 或微信小程序等，即： + +![](./assets/1.png) + +* 同样的道理，如果我们使用变量来存储每个商品信息，那么就需要非常多的变量；但是，如果我们将这些`商品信息`都存储到一个`容器（数组）`中，进行统一管理；那么，之后的数据处理将会非常方便。 + +### 1.1.3 容器的概念 + +* `生活中的容器`：水杯（装水、饮料的容器）、衣柜（装衣服等物品的容器）、集装箱（装货物等物品的容器）。 +* `程序中的容器`：将多个数据存储到一起，并且每个数据称为该容器中的元素。 + +## 1.2 什么是数组？ + +* 数组（Array）是将多个`相同数据类型`的`数据`按照一定的顺序排序的`集合`，并使用一个`标识符`命名，以及通过`编号（索引，亦称为下标）`的方式对这些数据进行统一管理。 + +![](./assets/2.png) + +## 1.3 数组的相关概念 + +* `数组名`：本质上是一个标识符常量，命名需要符合标识符规则和规范。 +* `元素`：同一个数组中的元素必须是相同的数据类型。 +* `索引（下标）`：从 0 开始的连续数字。 +* `数组的长度`：就是元素的个数。 + +## 1.4 数组的特点 + +* ① 创建数组的时候，会在内存中开辟一整块`连续的空间`，占据空间的大小，取决于数组的长度和数组中元素的类型。 +* ② 数组中的元素在内存中是依次紧密排列且有序的。 +* ③ 数组一旦初始化完成，且长度就确定的，并且`数组的长度一旦确定，就不能更改`。 +* ④ 我们可以直接通过索引（下标）来获取指定位置的元素，速度很快。 +* ⑤ 数组名中引用的是这块连续空间的首地址。 + + +# 第二章：数组的操作（⭐） + +## 2.1 数组的定义 + +### 2.1.1 动态初始化 + +* 语法： + +```c +数据类型 数组名[元素个数|长度]; +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 数据类型：表示的是数组中每一个元素的数据类型。 +> * ② 数组名：必须符合标识符规则和规范。 +> * ③ 元素个数或长度：表示的是数组中最多可以容纳多少个元素（不能是负数、也不能是 0 ）。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 先指定元素的个数和类型，再进行初始化 + + // 定义数组 + int arr[3]; + + // 给数组元素赋值 + arr[0] = 10; + arr[1] = 20; + arr[2] = 30; + + return 0; +} +``` + +### 2.1.2 静态初始化 1 + +* 语法： + +```c +数据类型 数组名[元素个数|长度] = {元素1,元素2,...} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 静态部分初始化：如果数组初始化的元素个数`小于`数组声明的长度，那么就会从数组开始位置依次赋值，不够的就补 0 。 +> * ② 静态全部初始化：数组初始化的元素个数`等于`数组的长度。 + +> [!TIP] +> +> 在 CLion 中开启`嵌入提示（形参名称-->显示数组索引的提示）`功能，即： +> +> ![](./assets/3.png) +> +> 这样，在 CLion 中，将会显示数组初始化时每个元素对应的索引，即： +> +> ![](./assets/4.png) + + + +* 示例：静态部分初始化 + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和部分初始化： + // 会将给定的值从数组的开始位置一个个的赋值，没有赋值的地方，用 0 填充 + int arr[5] = {1, 2}; + + return 0; +} +``` + + + +* 示例：静态全部初始化 + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 + int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + return 0; +} +``` + +### 2.1.3 静态初始化 2 + +* 语法： + +```c +数据类型 数组名[] = {元素1,元素2,...} +``` + +> [!NOTE] +> +> 没有给出数组中元素的个数，将由系统根据初始化的元素，自动推断出数组中元素的个数。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 指定元素的类型，不指定元素个数，同时进行初始化 + int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + return 0; +} +``` + +### 2.1.4 静态初始化 3 + +* 在 C 语言中，也可以只给部分元素赋值。当 {} 中的值少于元素的个数的时候，只会给前面的部分元素赋值，至于剩下的元素就会自动初始化为 0 。 + +```c +int arr[10] = {1,2,3,4,5}; +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 数组 `arr` 在内存中开辟了 `10` 个连续的内存空间，但是只会给前 `5` 个内存空间赋值初始化值，即：`arr[0] ~ arr[4]` 分别是 `1`、`2`、`3`、`4`、`5`，而 `arr[5] ~ arr[9]` 就会被自动初始化为 `0` 。 +> * ② 当赋值的元素少于数组总体元素的时候，剩余的元素自动初始化为 `0`，其规则如下： +> * 对于 `short`、`int`、`long`，就是整数 `0`。 +> * 对于 `char`，就是字符 `'\0'`。需要注意的是，`'\0'` 的十进制数就是 `0` 。 +> * 对于 `float`、`double`，就是小数 `0.0`。 + + + +* 示例： + +```c +#include +int main() { + int arr[10] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + printf("arr[0] = %d \n", arr[0]); // arr[0] = 1 + printf("arr[1] = %d \n", arr[1]); // arr[1] = 2 + printf("arr[2] = %d \n", arr[2]); // arr[2] = 3 + printf("arr[3] = %d \n", arr[3]); // arr[3] = 4 + printf("arr[4] = %d \n", arr[4]); // arr[4] = 5 + printf("arr[5] = %d \n", arr[5]); // arr[5] = 0 + printf("arr[6] = %d \n", arr[6]); // arr[6] = 0 + printf("arr[7] = %d \n", arr[7]); // arr[7] = 0 + printf("arr[8] = %d \n", arr[8]); // arr[8] = 0 + printf("arr[9] = %d \n", arr[9]); // arr[9] = 0 + + return 0; +} +``` + + + +## 2.2 访问数组元素 + +* 语法： + +```c +数组名[索引|下标]; +``` + +> [!NOTE] +> +> 假设数组 `arr` 有 n 个元素，如果使用的数组的下标 `< 0` 或 `> n-1` ，那么将会产生数组越界访问，即超出了数组合法空间的访问；那么，数组的索引范围是 `[0,arr.length - 1]`。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 先指定元素的个数和类型，再进行初始化 + + // 定义数组 + int arr[3]; + + // 给数组元素赋值 + arr[0] = 10; + arr[1] = 20; + arr[2] = 30; + + // 访问数组元素 + printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 10 + printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 20 + printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 30 + + return 0; +} +``` + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和部分初始化： + // 会将给定的值从数组的开始位置一个个的赋值，没有赋值的地方，用 0 填充 + int arr[5] = {1, 2}; + + // 访问数组元素 + printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 + printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 + printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 0 + printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 0 + printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 0 + + return 0; +} +``` + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 指定元素的类型，不指定元素个数，同时进行初始化 + int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + // 访问数组元素 + printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 + printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 + printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 3 + printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 4 + printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 5 + + return 0; +} +``` + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 + int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + // 访问数组元素 + printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 + printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 + printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 3 + printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 4 + printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 5 + + return 0; +} +``` + +## 2.3 数组越界 + +* 数组下标必须在指定范围内使用，超出范围视为越界。 + +![](./assets/5.png) + +> [!NOTE] +> +> * ① C 语言是不会做数组下标越界的检查，并且编译器也不会报错；但是，编译器不报错，并不意味着程序就是正确！ +> * ② 在其它高级编程语言，如：Java、JavaScript、Rust 等中，如果数组越界访问，编译器是会直接报错的！！！ + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 + int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + // 访问数组元素 + printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 1 + printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 2 + printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 3 + printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = 4 + printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 5 + printf("arr[-1] = %d\n", arr[-1]); // 得到的是不确定的结果 + printf("arr[5] = %d\n", arr[5]); // 得到的是不确定的结果 + + return 0; +} +``` + +## 2.4 计算数组的长度 + +* 数组长度（元素个数）是在数组定义的时候明确指定且固定的，我们不能在运行的时候直接获取数组长度；但是，我们可以通过 sizeof 运算符间接计算出数组的长度。 +* 计算步骤，如下所示： + * ① 使用 sizeof 运算符计算出整个数组的字节长度。 + * ② 由于数组成员是同一数据类型；那么，每个元素的字节长度一定相等，那么`数组的长度 = 整个数组的字节长度 ÷ 单个元素的字节长度 `。 + +![](./assets/6.png) + +> [!NOTE] +> +> * ① 在很多编程语言中，都内置了获取数组的长度的属性或方法，如：Java 中的 arr.length 或 Rust 的 arr.len()。 +> * ② 但是，C 语言没有内置的获取数组长度的属性或方法，只能通过 sizeof 运算符间接来计算得到。 +> * ③ 数组一旦`声明`或`定义`，其`长度`就`固定`了，`不能动态变化`。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 + int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + + // 遍历数组 + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d \n", arr[i]); + } + + return 0; +} +``` + +## 2.5 遍历数组 + +* 遍历数组是指按顺序访问数组中的每个元素，以便读取或修改它们，编程中一般使用循环结构对数组进行遍历。 + + + +* 示例：声明一个存储有 12、2、31、24、15、36、67、108、29、51 的数组，并遍历数组所有元素 + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组并初始化 + int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, 36, 67, 108, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + // 遍历数组 + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d\n", arr[i]); + } + + return 0; +} +``` + + + +* 示例：声明长度为 10 的 int 类型数组，给数组元素依次赋值为 0 ~ 9 ，并遍历数组所有元素 + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组 + int arr[10]; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + // 给数组的每个元素赋值 + for (int i = 0; i < length; i++) { + arr[i] = i; + } + + // 遍历数组 + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d\n", arr[i]); + } + + return 0; +} +``` + +## 2.6 一维数组的内存分析 + +### 2.6.1 数组内存图 + +* 假设数组是如下的定义： + +```c +int arr[] = {1,2,3,4,5}; +``` + +* 那么，对应的内存结构，如下所示： + +![](./assets/7.png) + +> [!NOTE] +> +> * ① 数组名 `arr` 就是记录该数组的首地址，即 `arr[0]` 的地址。 +> * ② 数组中的各个元素是连续分布的，假设 `arr[0]` 的地址是 `0xdea7bff880`，则 `arr[1] 的地址 = arr[0] 的地址 + int 字节数（4） = 0xdea7bff880 + 4 = 0xdea7bff884` ，依次类推... + +* 在 C 语言中，我们可以通过 `&arr` 或 `&arr[0]` 等形式获取数组或数组元素的地址，即： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组 + int arr[10]; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + // 给数组的每个元素赋值 + for (int i = 0; i < length; i++) { + arr[i] = i; + } + + printf("数组的地址是 = %p\n", arr); + + // 遍历数组 + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("数组元素 %d 的地址是 = %p\n", arr[i], &arr[i]); + } + + return 0; +} +``` + +### 2.6.2 数组的注意事项 + +* `C 语言规定，数组一旦声明，数组名指向的地址将不可更改`。因为在声明数组的时候，编译器会自动会数组分配内存地址，这个地址和数组名是绑定的，不可更改。 + +> [!WARNING] +> +> 如果之后试图更改数组名对应的地址，编译器就会报错。 + + + +* 示例：错误演示 + +```c +int num[5]; // 声明数组 + +// 使用大括号重新赋值是不允许的，必须在数组声明的时候赋值，否则编译将会报错 +num = {1,2,3,4,5} ; // [!code error] +``` + + + +* 示例：错误演示 + +```c +int num[] = {1,2,3,4,5}; + +// 使用大括号重新赋值是不允许的，必须在数组声明的时候赋值，否则编译将会报错 +num = {2,3,4,5,6}; // [!code error] +``` + + + +* 示例：错误演示 + +```c +int num[5]; + +// 报错，需要和 Java 区别一下，在 C 中不可以 +num = NULL; // [!code error] +``` + + + +* 示例：错误演示 + +```c +int a[] = {1,2,3,4,5} + +// 报错，需要和 Java 区别一下，在 C 中不可以 +int b[5] = a ; // [!code error] +``` + +## 2.7 数组应用案例 + +### 2.7.1 应用示例 + +* 需求：计算数组中所有元素的和以及平均数。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组并初始化 + int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, 36, 67, 108, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + // 变量保存总和 + int sum = 0; + + // 遍历数组 + for (int i = 0; i < length; i++) { + sum += arr[i]; + } + + double avg = (double)sum / length; + printf("数组的和为：%d\n", sum); // 数组的和为：375 + printf("数组的平均值为：%.2lf\n", avg); //数组的平均值为：37.50 + + return 0; +} +``` + +### 2.7.2 应用示例 + +* 需求：计算数组的最值（最大值和最小值）。 + +> [!NOTE] +> +> 思路： +> +> * ① 假设数组中的第一个元素是最大值或最小值，并使用变量 max 或 min 保存。 +> * ② 遍历数组中的每个元素： +> * 如果有元素比最大值还要大，就让变量 max 保存最大值。 +> * 如果有元素比最小值还要小，就让变量 min 保存最小值。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组并初始化 + int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + // 定义最大值 + int max = arr[0]; + // 定义最小值 + int min = arr[0]; + + // 遍历数组 + for (int i = 0; i < length; i++) { + if (arr[i] >= max) { + max = arr[i]; + } + if (arr[i] <= min) { + min = arr[i]; + } + } + + printf("数组的最大值为：%d\n", max); // 数组的最大值为：108 + printf("数组的最小值为：%d\n", min); // 数组的最小值为：-36 + + return 0; +} +``` + +### 2.7.3 应用示例 + +* 需求：统计数组中某个元素出现的次数，要求：使用无限循环，如果输入的数字是 0 ，就退出。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组并初始化 + int arr[] = {12, 2, 31, 24, 2, -36, 67, 108, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + // 遍历数组 + printf("当前数组中的元素是："); + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + + printf("\n"); + + // 无限循环 + while (true) { + // 统计的数字 + int num; + // 统计数字出现的次数 + int count = 0; + // 输入数字 + printf("请输入要统计的数字："); + scanf("%d", &num); + + // 0 作为结束条件 + if (num == 0) { + break; + } + + // 遍历数组，并计数 + for (int i = 0; i < length; i++) { + if (arr[i] == num) { + count++; + } + } + + printf("您输入的数字 %d 在数组中出现了 %d 次\n", num, count); + } + + return 0; +} +``` + +### 2.7.4 应用示例 + +* 需求：将数组 a 中的全部元素复制到数组 b 中。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +#define SIZE 10 + +int main() { + + // 定义数组并初始化 + int a[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; + int b[SIZE]; + + // 复制数组 + for (int i = 0; i < SIZE; i++) { + b[i] = a[i]; + } + + // 打印数组 b 中的全部元素 + for (int i = 0; i < SIZE; i++) { + printf("%d ", b[i]); + } + + return 0; +} +``` + +### 2.7.5 应用示例 + +* 需求：数组对称位置的元素互换。 + +> [!NOTE] +> +> 思路：假设数组一共有 10 个元素，那么： +> +> * a[0] 和 a[9] 互换。 +> * a[1] 和 a[8] 互换。 +> * ... +> +> 规律就是 `a[i] <--互换--> arr[arr.length -1 -i]` + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 原始数组 + int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t SIZE = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + + // 打印原始数组中的全部元素 + printf("原始数组："); + for (int i = 0; i < SIZE; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + // 交换数组 + for (int i = 0; i < SIZE / 2; i++) { + int temp = arr[i]; + arr[i] = arr[SIZE - 1 - i]; + arr[SIZE - 1 - i] = temp; + } + + // 打印交换后的数组 + printf("交换后数组："); + for (int i = 0; i < SIZE; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + return 0; +} +``` + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 原始数组 + int arr[] = {12, 2, 31, 24, 15, -36, 67, 108, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t SIZE = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + + // 打印原始数组中的全部元素 + printf("原始数组："); + for (int i = 0; i < SIZE; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + // 交换数组 + for (int i = 0, j = SIZE - 1 - i; i < SIZE / 2; i++, j--) { + int temp = arr[i]; + arr[i] = arr[j]; + arr[j] = temp; + } + + // 打印交换后的数组 + printf("交换后数组："); + for (int i = 0; i < SIZE; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + return 0; +} +``` + +### 2.7.6 应用示例 + +* 需求：将数组中的最大值移动到数组的最末尾。 + +> [!NOTE] +> +> 思路：从数组的下标 `0` 开始依次遍历到 `length - 1` ，如果 `i` 下标当前的值比 `i+1` 下标的值大，则交换；否则，就不交换。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 原始数组 + int arr[] = {12, 2, 31, -24, 15, -36, 67, 891, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + + // 打印原始数组中的全部元素 + printf("原始数组："); + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + // 移动最大值到数组的最后一个位置 + for (int i = 0; i < length - 1; i++) { + if (arr[i] > arr[i + 1]) { + int temp = arr[i]; + arr[i] = arr[i + 1]; + arr[i + 1] = temp; + } + } + + // 打印移动之后的数组 + printf("移动之后的数组："); + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + return 0; +} +``` + +### 2.7.7 应用示例 + +* 需求：实现冒泡排序，即将数组的元素从小到大排列。 + +> [!NOTE] +> +> 思路：一层循环，能实现最大值移动到数组的最后；那么，二层循环（控制内部循环数组的长度）就能实现将数组的元素从小到大排序。 + + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 原始数组 + int arr[] = {12, 2, 31, -24, 15, -36, 67, 891, 29, 51}; + + // 计算数组的长度 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + + // 打印原始数组中的全部元素 + printf("原始数组："); + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + for (int j = 0; j < length - 1; j++) { + for (int i = 0; i < length - 1 - j; i++) { + if (arr[i] > arr[i + 1]) { + int temp = arr[i]; + arr[i] = arr[i + 1]; + arr[i + 1] = temp; + } + } + } + + // 打印移动之后的数组 + printf("移动之后的数组："); + for (int i = 0; i < length; i++) { + printf("%d ", arr[i]); + } + printf("\n"); + + return 0; +} +``` + +### 2.7.8 应用示例 + +* 需求：数组中的元素是从小到大排列的，现在要求根据指定的元素获取其在数组中的位置。 + +> [!NOTE] +> +> 二分查找（折半查找）的前提条件是：数组中的元素必须是`有序`的（从小到大或从大到小）。其基本步骤，如下所示： +> +> * ① 确定初始范围：定义数组的起始索引 `min = 0` 和结束索引 `max = len - 1` 。 +> * ② 计算中间索引：在每次迭代中，计算中间位置 `mid = (min + right) / 2`。 +> * ③ 比较中间值： +> * 如果`目标值`比 `arr[mid]` 小，则继续在`左`半部分查找，那么 `min` 不变，而`max = mid - 1` 。 +> * 如果`目标值`比 `arr[mid]` 大，则继续在`右`半部分查找，那么 `max` 不变，而`min = mid + 1` 。 +> * 如果`目标值`和 `arr[mid]` 相等，则找到了目标，返回该索引。 +> * ④ 结束条件：当 `min > max` 的时候，表示查找范围为空，即：元素不存在，返回 `-1`。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +/** + * 二分查找 + * + * @param arr 数组 + * @param len 数组长度 + * @param num 要查找的数据 + * @return 返回数据的下标，没有找到返回-1 + */ +int search(int arr[], int len, int num) { + int min = 0; + int max = len - 1; + while (min <= max) { + int mid = (min + max) / 2; + if (num < arr[mid]) { // 说明要查找的数据在左半边 + max = mid - 1; + } else if (num > arr[mid]) { // 说明要查找的数据在右半边 + min = mid + 1; + } else { // 说明找到了 + return mid; + } + } + return -1; +} + +int main() { + + int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6}; + + int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + + int index = search(arr, len, -1); + + printf("index = %d\n", index); + + return 0; +} +``` + + + +# 第三章：多维数组（⭐） + +## 3.1 概述 + +### 3.1.1 引入 + +* 我们在数学、物理和计算机科学等学科中学习过`一维坐标`、`二维坐标`以及`三维坐标`。 + +* 其中，`一维坐标`通常用于描述在线段或直线上的点的位置，主要应用有： + + * **数轴**：一维坐标可以用来表示数轴上的数值位置，这在基础数学和初等代数中非常常见。 + + ![](./assets/8.png) + + * **时间轴**：时间可以看作是一维的，它可以用一维坐标表示，例如：秒、分钟、小时等。 + + ![](./assets/9.png) + + * **统计数据**：一维坐标常用于表示单变量的数据集，如：测量身高、体重、温度等。 + + ![](./assets/10.jpg) + +* 其中，`二维坐标`用于描述平面上的点的位置。主要应用包括： + + * **几何学**：在几何学中，二维坐标用于表示平面图形的顶点、边和面积等。 + + ![](./assets/11.png) + + * **地图和导航**：地理坐标系统（经纬度）使用二维坐标来表示地球表面的任意位置。 + + ![image-20240724112326592](./assets/12.png) + + * **图形设计和计算机图形学**：二维坐标在绘制图形、设计图案和用户界面中非常重要。 + + ![](./assets/13.png) + + * **物理学**：二维运动和场，例如：在描述物体在平面上的运动轨迹时使用二维坐标。 + + ![](./assets/14.jpg) + +* 其中，三维坐标用于描述空间中点的位置。主要应用包括： + + * **几何学**：三维坐标在空间几何中用于表示立体图形的顶点、边、面和体积。 + + ![](./assets/15.png) + + * **计算机图形学**：三维建模和动画需要使用三维坐标来创建和操控虚拟对象。 + + ![](./assets/16.png) + + * **工程和建筑设计**：在设计建筑物、机械部件和其他工程项目时，使用三维坐标来精确定位和规划。 + + ![](./assets/17.png) + + * **物理学**：三维空间中的力、运动和场，例如：描述物体在空间中的位置和运动轨迹。 + + ![](./assets/18.png) + +* 总而言之，一维、二维和三维坐标系统在不同的领域中各有其重要的应用，从基础数学到高级科学和工程技术，它们帮助我们更好地理解和描述世界的结构和行为。 + +### 3.1.2 多维数组 + +* 在 C 语言中，多维数组就是数组嵌套，即：在数组中包含数组，数组中的每一个元素还是一个数组类型，如下所示： + +![](./assets/19.png) + +> [!NOTE] +> +> * ① 如果数组中嵌套的每一个元素是一个常量值，那么该数组就是一维数组。 +> * ② 如果数组中嵌套的每一个元素是一个一维数组，那么该数组就是二维数组。 +> * ③ 如果数组中嵌套的每一个元素是一个二维数组，那么该数组就是三维数组. +> * ④ 依次类推... + +* 一维数组和多维数组的理解： + * 从内存角度看：一维数组或多维数组都是占用的一整块连续的内存空间。 + * 从数据操作角度看： + * 一维数组可以直接通过`下标`访问到数组中的某个元素，即：0、1、... + * 二维数组要想访问某个元素，先要获取某个一维数组，然后在一维数组中获取对应的数据。 + +> [!NOTE] +> +> * ① C 语言中的一维数组或多维数组都是占用的一整块连续的内存空间，其它编程语言可不是这样的，如：Java 等。 +> * ② 在实际开发中，最为常用的就是二维数组或三维数组了，以二维数组居多！！！ + +## 3.2 二维数组的定义 + +### 3.2.1 动态初始化 + +* 语法： + +```c +数据类型 数组名[几个⼀维数组元素][每个⼀维数组中有几个具体的数据元素]; +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 二维数组在实际开发中，最为常见的应用场景就是表格或矩阵了。 +> * ② 几个一维数组元素 = 行数。 +> * ③ 每个⼀维数组中有几个具体的数据元素 = 列数。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义二维数组并初始化 + int arr[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}}; + + // 输出二维数组中的元素 + printf("%d ", arr[0][0]); + printf("%d ", arr[0][1]); + printf("%d ", arr[0][2]); + printf("%d \n", arr[0][3]); + printf("%d ", arr[1][0]); + printf("%d ", arr[1][1]); + printf("%d ", arr[1][2]); + printf("%d \n", arr[1][3]); + printf("%d ", arr[2][0]); + printf("%d ", arr[2][1]); + printf("%d ", arr[2][2]); + printf("%d ", arr[2][3]); + + return 0; +} +``` + +### 3.2.2 静态初始化 1 + +* 语法： + +```c +数据类型 数组名[行数][列数] = {{元素1,元素2,...},{元素3,...},...} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 行数 = 几个一维数组元素。 +> * ② 列数 = 每个⼀维数组中有几个具体的数据元素。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义二维数组并初始化 + int arr[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}}; + + // 输出二维数组中的元素 + printf("%d ", arr[0][0]); + printf("%d ", arr[0][1]); + printf("%d ", arr[0][2]); + printf("%d \n", arr[0][3]); + printf("%d ", arr[1][0]); + printf("%d ", arr[1][1]); + printf("%d ", arr[1][2]); + printf("%d \n", arr[1][3]); + printf("%d ", arr[2][0]); + printf("%d ", arr[2][1]); + printf("%d ", arr[2][2]); + printf("%d ", arr[2][3]); + + return 0; +} +``` + +### 3.2.3 静态初始化 2 + +* 语法： + +```c +数据类型 数组名[][列数] = {{元素1,元素2,...},{元素3,...},...} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 列数 = 每个⼀维数组中有几个具体的数据元素。 +> * ② 可以`不`指定`行数`，`必须`指定`列`数，编译器会根据元素的个数和列的个数，自动推断出行数！！！ + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义二维数组 + int arr[][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6}, {9, 10, 11, 12}}; + + // 输出二维数组中的元素 + printf("%d ", arr[0][0]); + printf("%d ", arr[0][1]); + printf("%d ", arr[0][2]); + printf("%d \n", arr[0][3]); + printf("%d ", arr[1][0]); + printf("%d \n", arr[1][1]); + printf("%d ", arr[2][0]); + printf("%d ", arr[2][1]); + printf("%d ", arr[2][2]); + printf("%d ", arr[2][3]); + + return 0; +} +``` + +## 3.3 二维数组的理解 + +* 如果二维数组是这么定义的，即： + +```c +int arr[3][4]; +``` + +* 那么，这个二维数组 `arr` 可以看做是 `3` 个一维数组组成，它们分别是 `arr[0]`、`arr[1]`、`arr[2]`。这 `3` 个一维数组都各有 4 个元素，如：一维数组 `arr[0]` 中的元素是 `arr[0][0]`、`arr[0][1]`、`arr[0][2]`、`arr[0][3]`，即： + +![](./assets/20.png) + +## 3.4 二维数组的遍历 + +* 访问二维数组的元素，需要使用两个下标（索引），一个用于访问行（第一维），另一个用于访问列（第二维），我们通常称为行下标（行索引）或列下标（列索引）。 +* 所以，遍历二维数组，需要使用双层循环结构。 + +> [!NOTE] +> +> 如果一个二维数组是这么定义的，即：`int arr[3][4]`，那么： +> +> * `行的长度 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0])` ，因为 `arr` 是二维数组的`总`的内存空间；而 `arr[0]` 、`arr[1]`、`arr[2]` 是二维数组中一维数组的内存空间 。 +> * `列的长度 = sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0])`，因为`arr[0]` 、`arr[1]`、`arr[2]` 是二维数组中一维数组的内存空间 ，而 `arr[0][0]`、`arr[0][1]`、... 是一维数组中元素的内存空间。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义二维数组 + int arr[][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6}, {9, 10, 11, 12}}; + + // 获取行列数 + int row = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + int col = sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]); + + // 打印二维数组元素 + for (int i = 0; i < row; i++) { + for (int j = 0; j < col; j++) { + printf("%d ", arr[i][j]); + } + printf("\n"); + } + + return 0; +} +``` + +## 3.5 二维数组的内存分析 + +* 用`矩阵形式`（如：3 行 4 列形式）表示二维数组，是`逻辑`上的概念，能形象地表示出行列关系。而在`内存`中，各元素是连续存放的，不是二维的，是`线性`的。 + +* C 语言中，二维数组中元素排列的顺序是`按行存放`的。即：先顺序存放第一行的元素，再存放第二行的元素。例如：数组`a[3][4] `在内存中的存放，如下所示： + +![](./assets/21.png) + +> [!NOTE] +> +> * ① 这就是 `C` 语言的二维数组在进行静态初始化的时候，`可以`忽略`行数`的原因所在（底层的`内存结构`是`线性`的），因为可以根据 `元素的总数 ÷ 每列元素的个数 = 行数`的公式计算出`行数`。 +> * ② 如果你学过 `Java` 语言，可能会感觉困惑，Java 语言中的二维数组在进行静态初始化，是`不能`忽略`行数`的，是因为 Java 编译器会根据`行数`去堆内存空间先开辟出一维数组，然后再继续...，所以当然`不能`忽略`行数`。 + +## 3.6 二维数组的应用案例 + +* 需求：现在有三个班，每个班五名同学，用二维数组保存他们的成绩，并求出每个班级平均分、以及所有班级平均分，数据要求从控制台输入。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义二维数组，用于保存成绩 + double arr[3][5]; + + // 获取二维数组的行数和列数 + int row = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); + int col = sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]); + + // 从控制台输入成绩 + for (int i = 0; i < row; i++) { + for (int j = 0; j < col; j++) { + printf("请输入第%d个班级的第%d个学生的成绩：", i + 1, j + 1); + scanf("%lf", &arr[i][j]); + } + } + + // 总分 + double totalSum = 0; + + // 遍历数组，求总分和各个班级的平均分 + for (int i = 0; i < row; i++) { + double sum = 0; + for (int j = 0; j < col; j++) { + totalSum += arr[i][j]; + sum += arr[i][j]; + } + printf("第%d个班级的总分为：%.2lf\n", i + 1, sum); + printf("第%d个班级的平均分为：%.2lf\n", i + 1, sum / col); + } + + printf("所有班级的总分为：%.2lf\n", totalSum); + printf("所有班级的平均分为：%.2lf\n", totalSum / (row * col)); + + return 0; +} +``` + + diff --git a/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/1.png b/docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/1.png similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/1.png rename to docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/1.png diff --git a/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/10.svg b/docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/10.svg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/10.svg rename to docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/10.svg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/11.svg b/docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/11.svg similarity index 100% rename from docs/notes/01_c-basic/10_xdx/assets/11.svg rename to docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/11.svg diff --git a/docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/12.gif b/docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/12.gif new file mode 100644 index 0000000..0ad9999 Binary files /dev/null and b/docs/notes/01_c-basic/12_xdx/assets/12.gif 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语言中仅作为字符串的结束标志。 +* C 语言在处理字符串时，会从前往后逐个扫描字符，一旦遇到`'\0'`就认为到达了字符串的末尾，就结束处理。`'\0'`至关重要，没有`'\0'`就意味着永远也到达不了字符串的结尾。 + +![](./assets/2.png) + +> [!NOTE] +> +> 在现代化的高级编程语言中，都提供了字符串对应的类型，如：Java 中的 String（JDK 11 之前，底层也是通过 `char[]` 数组来实现的） 。 + +## 1.2 字符数组（字符串）的定义 + +### 1.2.1 标准写法 + +* 手动在字符串的结尾添加 `'\0'`作为字符串的结束标识。 + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + // 字符数组，不是字符串 + char c1[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'}; + // C 风格的字符串 + char c2[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '\0'}; + + return 0; +} +``` + +### 1.2.2 简化写法（推荐） + +* 字符串写成数组的形式，非常麻烦。C 语言中提供了一种简化写法，即：双引号中的字符，会自动视为字符数组。 + +> [!NOTE] +> +> 简化写法会自动在末尾添加 `'\0'` 字符，强烈推荐使用！！！ + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + char c1[] = {"Hello World"}; // 注意使用双引号，非单引号 + char c2[] = "Hello World"; // //可以省略一对 {} 来初始化数组元素 + + + return 0; +} +``` + +## 1.3 字符串的输入和输出 + +### 1.3.1 字符串的输出 + +* 在 C 语言中，有两个函数可以在控制台上输出字符串，它们分别是： + * ① `puts()`：输出字符串并自动换行，并且该函数只能输出字符串。 + * ② `printf()` ：通过格式占位符 `%s`，就可以输出字符串，不能自动换行。 + +> [!NOTE] +> +> * ① `printf()` 函数除了输出字符串之外，还可以输出`其它类型`的数据。 +> * ② 在实际开发中，`printf()` 函数用的居多！！！ + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + char c1[] = {"Hello World"}; // 注意使用双引号，非单引号 + char c2[] = "Hello World"; // //可以省略一对 {} 来初始化数组元素 + + puts(c1); // Hello World + puts(c2); // Hello World + + return 0; +} +``` + + + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + char c1[] = {"Hello World"}; // 注意使用双引号，非单引号 + char c2[] = "Hello World"; // //可以省略一对 {} 来初始化数组元素 + + printf("c1 = %s\n", c1); // c1 = Hello World + printf("c2 = %s\n", c2); // c2 = Hello World + + return 0; +} +``` + +### 1.3.2 字符串的输入 + +* 在 C 语言中，有两个函数可以让用户从键盘输入字符串，它们分别是： + * ① ~~`gets()`：直接输入字符串，并且只能输入字符串~~。 + * ② `scanf()`：通过格式占位符 `%s`，就可以输入字符串了。 + +> [!NOTE] +> +> * ① `scanf()` 在通过格式占位符 `%s`，读取字符串时以`空格`或 `Enter` 键为分隔，遇到`空格`或 `Enter` 键就认为当前字符串结束了，所以无法读取含有空格的字符串。但是，我们可以将格式占位符，使用 `%[^\n]`来代替 `%s` ，这样就能解决 `scanf()` 函数默认的缺陷。 +> * ② `gets()` 认为空格也是字符串的一部分，只有遇到回车键时才认为字符串输入结束。换言之，不管输入了多少个空格，只要不按下回车键，对 `gets()` 来说就是一个完整的字符串。 +> * ③ 需要注意的是，`gets()` 函数在 [C11](https://zh.cppreference.com/w/c/11) 标准中，已经被移除了，推荐使用 `fgets` 来代替它，因为有严重的安全漏洞，即：`gets()` 函数读取用户输入直到换行符，但它不会检查缓冲区的大小。这意味着如果用户输入超过了缓冲区的大小，`gets()` 将会导致缓冲区溢出。这种缓冲区溢出很容易被恶意利用，导致程序崩溃或执行恶意代码。 + +* 示例： + +```c +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + char str[32] = {'\0'}; + + printf("请输入字符串："); + gets(str); + + printf("字符串是：%s\n", str); + + return 0; +} +``` + + + +* 示例： + +```c {13} +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + char str[32] = {'\0'}; + + printf("请输入字符串："); + // scanf() 在读取数据时需要的是数据的地址，这一点是恒定不变的。 + // 对于 int、char、float 等类型的变量都要在前边添加 & 以获取它们的地址。 + // 而数组或者字符串用于 scanf() 时不用添加 &，它们本身就会转换为地址。 + scanf("%[^\n]", str); + + printf("字符串是：%s\n", str); + + return 0; +} +``` + +## 1.4 字符串结束不是 `'\0'` 的后果 + +* 有的时候，程序的逻辑要求我们必须逐个字符为数组赋值，这个时候就很容易遗忘字符串结束标识 `'\0'`，如下所示： + +```c {3} +#include +int main() { + char str[30]; + char c; + int i; + for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { + str[i] = c; + } + printf("%s\n", str); + + return 0; +} +``` + +* 该程序的执行结果，如下所示： + +![](./assets/3.png) + +* 因为`大写字符`在 `ASCII` 码表是连续的，编码值从 `65` 开始，直到 `90` 结束；并且，为了方便，我们使用了循环。但是，我们却发现结果和我们想要的大不一样，为什么？ + +> [!NOTE] +> +> * ① 在函数内部定义的变量、数组、结构体、共用体等都称为局部数据。 +> +> * ② 在很多编译器下，局部数据的初始值都是随机的、无意义的，而不是我们通常认为的“零”值。 + +* 我们在定义 `str` 数组的时候，并没有立即初始化，所以它包含的值都是随机的，只有很小的概率是“零”。循环结束后，`str` 的前 `26` 个元素被赋值了，剩下的 `4` 个元素的值依然是随机的，我们并不清楚到底是什么。 +* `printf()` 输出字符串时，会从第 `0` 个元素开始往后检索，直到遇见`'\0'`才停止，然后把`'\0'`前面的字符全部输出，这就是 `printf()` 输出字符串的原理。 +* 但是，对于上面的例子，由于我们并没有对最后 `4` 个元素赋值，所以第 `26` 元素可能是 `'\0'`，也有可能第 `27` 个元素是 `'\0'`，也有可能第 `28` 个元素是 `'\0'`；不过，不要问`我`，`我`也不清楚，可能只有`上帝`才会知道，到底第`几`个元素才是 `'\0'`。而且，我们在定义数组的时候，设置数组的长度是 `30` ，但是貌似输出的字符串的长度是 `32` ，这早已超出了数组的范围，`printf()` 在输出字符串的时候，如果没有遇见 `'\0'` 是不会罢休的，它才不会管`数组访问`是不是`越界`。 + +> [!NOTE] +> +> * ① 由此可见，不注意`'\0'`的后果有多严重，不但不能正确处理字符串，甚至还会毁坏其它数据！！！ +> * ② C 语言为了提高效率，保证操作的灵活性，并不会对越界行为进行检查，即使越界了，也能够正常编译，只有在运行期间才可能发现问题，所以对程序员的要求很高。但是，现代化的高级编程语言，如：Java 等，为了降低开发难度以及提高开发效率，像数组这种越界行为，在编译期间就会由编译器提前捕获，并直接报错！！！ + +* 如果要避免这些问题也很简单，在字符串后面手动添加 `'\0'` 就可以了，即： + +```c {9} +#include +int main() { + char str[30]; + char c; + int i; + for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { + str[i] = c; + } + str[i] = '\0'; + printf("%s\n", str); + + return 0; +} +``` + +* 但是，上述的写法实在麻烦，为什么不在定义数组的时候，给数组中的每个元素都初始化，这样才能从根本上避免上述问题，即： + +```c {3} +#include +int main() { + char str[30] = {'\0'}; + char c; + int i; + for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { + str[i] = c; + } + printf("%s\n", str); + + return 0; +} +``` + +## 1.5 字符串的长度 + +* 所谓字符串的长度，就是字符串包含了多少个字符（不包括最后的结束符`'\0'`），如：`"abc"` 的长度是 `3` ，而不是 `4` 。 +* 在 C 语言中的 `string.h` 中提供了 `strlen()` 函数，能够帮助我们获取字符串的长度，如下所示： + +```c +size_t strlen (const char *__s) +``` + + + +* 示例： + +```c {13} +#include +#include +int main() { + char str[30] = {'\0'}; + char c; + int i; + for (c = 65, i = 0; c <= 90; c++, i++) { + str[i] = c; + } + // ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ + printf("%s\n", str); + // ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 的长度是 26 + printf("%s 的长度是 %zu\n", str, strlen(str)); + + return 0; +} +``` + + + +# 第二章：内存中的变量和数组（⭐） + +## 2.1 内存和内存地址 + +### 2.1.1 内存 + +* `内存`是一种`计算机硬件`，是`软件`在`运行过程`中，用来`临时存储数据`的。在生活中，最为常见的`内存`就是`随机存取存储器（RAM，内存条`），其特点如下所示： + * ① 生活中最常见的内存类型，用于存储当前运行的程序和数据。 + * ② 内存是易失性存储器，这意味着断电后数据会丢失。 + * ③ 它具有高速读写特性，适用于需要快速访问的操作。 + +* 内存条的外观，如下所示： + +![](./assets/4.jpeg) + +* 像我们平常使用`记事本`软件一样，当我们输入一些文字的时候，其实是将数据`临时`保存在内存中的，如下所示： + +> [!NOTE] +> +> * ① 目前，很多软件都很智能，如果用户没有将数据到保存文件中，将显示红色，以警告用户还没有保存数据，提醒用户需要尽快保存数据！！！ +> * ② 但是，也有很多软件提供了自动保存数据的功能，其原理就是定时（1s、3s、5s）将内存中的数据刷新到文件中，以防止数据丢失！！！ +> * ③ 将数据从内存存储到文件中，专业的说法是落盘（落在磁盘上）。 + +![](./assets/5.gif) + +* 此时，如果我们在没有保存的过程下，将`记事本`软件关闭，那么刚才输入的文字将丢失；下次，再打开同样的文件（将数据从磁盘加载进内存，再交给 CPU），之前输入的文字将不复存在，如下所示： + +> [!NOTE] +> +> * ① 目前，很多软件都很智能，如果你没有保存，将提醒你是否保存或丢失刚才输入的文字。 +> * ② 但是，也有很多软件提供了自动保存数据的功能，其原理就是定时（1s、3s、5s）将内存中的数据刷新到文件中，以防止数据丢失！！！ +> * ③ 将数据从内存存储到文件中，专业的说法是落盘（落在磁盘上）。 + +![](./assets/6.gif) + +> [!IMPORTANT] +> +> 内存就是软件在运行过程中，用来临时存储数据的，最为重要的两个步骤就是： +> +> * ① 将数据`保存`到内存中。 +> * ② 从内存中的`对应位置`将数据`取出来`。 + +### 2.1.2 内存地址 + +* 在这个计算机的内存条，动不动就 32GB、64GB 、128GB 或更高的年代，如下所示： + +![](./assets/7.png) + +* 如果有一个 int （4 个字节）类型的数据 `2` ，如何将这个数据保存到内存中？（对应上述的步骤 ①） + +![](./assets/8.svg) + +* 就算数据 `2` 已经保存到内存中，那么内存中那么多的数据，我们又该如何取出呢？（对应上述的步骤 ②） + +![](./assets/9.svg) + +> [!IMPORTANT] +> +> 答案就是`内存地址`。 + +* 操作系统为了更快的去管理内存中的数据，会将`内存条`按照`字节`划分为一个个的`单元格`，如下所示： + +![](./assets/10.svg) + +> [!NOTE] +> +> 计算机中存储单位的换算，如下所示： +> +> - 1 B = 8 bit。 +> - 1 KB = 1024 B。 +> - 1 MB = 1024 KB。 +> - 1 GB = 1024 MB。 +> - 1 TB = 1024 GB 。 +> - …… + +* 为了方便管理，每个独立的小单元格，都有自己唯一的编号（内存地址），如下所示： + +![](./assets/11.svg) + +* 之所以，加了`内存地址`，就能`加快`数据的存取速度，可以类比生活中的`字典`： + + * 如果没有使用`拼音查找法`或`部首查找法`，我们需要一页一页，一行一行的，在整个字典中去搜索我们想要了解的汉字，效率非常低（如果要搜索的汉字在最后一页，可能需要将整个字典从头到尾翻一遍，这辈子真有可能翻得完？）。 + + ![](./assets/12.gif) + + * 如果使用`拼音查找法`或`部首查找法`，我们可以很快的定位到所要了解汉字所在的页数，加快了搜索的效率。 + + ![](./assets/13.jpg) + + ![](./assets/14.jpg) + +* 同样的道理，如果`没有`内存地址，我们只能一个个的去寻找想要的数据，效率非常低下，如下所示： + +![](./assets/15.gif) + +* 如果`使用`内存地址，我们就可以直接定位到指定的数据，效率非常高，如下所示： + +![](./assets/16.gif) + +> [!IMPORTANT] +> +> * ① 内存地址是计算机中用于标识内存中某个特定位置的数值。 +> * ② 每个内存单元都有一个唯一的地址，这些地址可以用于访问和操作存储在内存中的数据。 + + + +* 实际中的内存地址，并不是像上面的 `001` 、`002` 、... 之类的数字，而是有自己的规则，即：内存地址规则。 + +> [!NOTE] +> +> * ① 32 位的操作系统中，内存地址以 32 位的二进制表示。 +> * ② 64 位的操作系统中，内存地址以 64 位的二进制表示。 + +* 在 32 位的操作系统中，内存地址的范围是：`0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000` ~ `1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111` （2 ^ 32 次方）。 + +> [!NOTE] +> +> 在 32 位的操作系统中，一共有 4,294,967,296 个内存地址，其最大支持的内存大小是 4,294,967,296 字节，即 4 GB 。 + +* 在 64 位的操作系统中，内存地址的范围是：`0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000` ~ `1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111` （2 ^ 64 次方）。 + +> [!NOTE] +> +> * ① 在 64 位的操作系统中，一共有 18,446,744,073,709,551,616 个内存地址，其最大支持的内存大小是 18,446,744,073,709,551,616 字节，即 17,179 TB 。 +> * ② 虽然，从理论上 64 位的操作系统支持的内存最大容量是 17,179 TB；但是，实际操作系统会有所限制，如：win11 的 64 位支持的最大内存是 128 GB ~ 6 TB，Linux 64 位支持的最大内存通常是 256 TB。 + +* 在实际开发中，64 位操作系统的内存地址表现形式，如：`0000 0000 0000 0000 0001 0000 1111 1010 0000 0000 0010 0000 0000 0010 0000 1000`，实在是太长了，我们通常转换为十六进制，以方便阅读，如：`0x000010FA00200208` 。 + +> [!IMPORTANT] +> +> * ① 内存地址是内存中每个单元的编号。 +>* ② 内存地址的作用是操作系统用来快速管理内存空间的。 +> * ③ 在 32 位操作系统上，内存地址以 32 位的二进制数字表示，最大支持的的内存是 4 GB，所以 32 位操作系统已经被淘汰。 +> * ④ 在 64 位操作系统上，内存地址以 64 位的二进制数字表示，由于表示形式太长，我们通常会转为十六进制，以方便阅读。 + +## 2.2 内存中的变量 + +* 在 C 语言中，数据类型的种类很多，如：short、int、long、float、double、char 等。以 int 类型为例，在 32 位或 64 位操作系统中的，int 类型的变量都是占 4 个字节，当我们在代码中这么定义变量，如： + +```c +#include + +int main(){ + + // 定义一个变量并初始化 + int a = 10; + + return 0; +} +``` + +* 那么，编译器就会这么处理，如下所示： + +![](./assets/17.svg) + +* 在代码中，我们可以使用 `&变量名` 来获取一个变量的内存首地址，如下所示： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义一个变量并初始化 + int a = 10; + + printf("变量 a 的首地址是: %p\n", &a); // 变量 a 的首地址是: 0000002bf1dffd0c + printf("变量 a 的中保存的值是: %d\n", a); // 变量 a 的中保存的值是: 10 + + return 0; +} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① `变量`是对程序中`数据`在内存中存储空间的抽象，如果不涉及到指针变量，那我们在编码的时候，就只需要将变量等价于内存中存储空间里面存储的数据，而不需要再去考虑编译器底层是如何转换，提高了开发效率（机器语言和汇编可不是这样的，需要关注每个细节）。 +> * ② 数据类型只在`定义`变量的时候`指定`，而且必须指定；`使用`变量的时候`无需`再声明，因为此时的数据类型已经确定了。 + +## 2.3 内存中的数组 + +* 如果我们在代码中这么定义数组，如下所示： + +```c +#include + +int main(){ + + // 定义一个数组并初始化 + int arr[] = {1,2,3}; + + return 0; +} +``` + +* 那么，编译器就会这么处理，如下所示： + +![](./assets/18.svg) + +* 在代码中，我们可以直接打印数组名的内存地址，如下所示： + +```c +#include + +int main() { + + int arr[] = {1, 2, 3}; + + printf("arr 的首地址是: %p \n", arr); // arr 的首地址是: 0000003a6f7ffcd4 + printf("arr 的首地址是: %p \n", &arr); // &arr 的地址是: 0000003a6f7ffcd4 + printf("arr[0] 的地址是: %p \n", &arr[0]); // arr[0] 的地址是: 0000003a6f7ffcd4 + printf("arr[1] 的地址是: %p \n", &arr[1]); // arr[1] 的地址是: 0000003a6f7ffcd8 + printf("arr[2] 的地址是: %p \n", &arr[2]); // arr[2] 的地址是: 0000003a6f7ffcdc + + return 0; +} +``` + +> [!WARNING] +> +> 在上述示例中，`arr` 和 `&arr` 的值是一样的，但是对应的含义是不同的。 +> +> * ① `arr` 是数组名，在大多数情况下会转换为数组第一个元素的地址，即：`arr` 等价于 `&arr[0]`，其数据类型是 `int *`。 +> * ② `&arr`是数组名的地址，即整个数组的地址，它指向数组本身，并不是数组第一个元素的地址，`&arr` 的数据类型是 `int(*)[3]`。 + + + +# 第三章：数组越界和数组溢出（⭐） + +## 3.1 数组越界 + +* C 语言的数组是静态的，当我们定义的时候，就不能自动扩容。当我们试图访问数组的`负索引`或`超出`数组长度的索引时，就会产生`数组越界`。 + +> [!NOTE] +> +> * ① C 语言为了提高效率，保证操作的灵活性，并不会对越界行为进行检查，即使越界了，也能够正常编译，只有在运行期间才可能发现问题，所以对程序员的要求很高。 +> * ② 但是，现代化的高级编程语言，如：Java 等，为了降低开发难度以及提高开发效率，像数组这种越界行为，在编译期间就会由编译器提前捕获，并直接报错！！！ + +* 请看下面的代码： + +```c {9-10,15} +#include + +int main() { + // 禁用 stdout 缓冲区 + setbuf(stdout, NULL); + + int arr[3] = {10, 20, 30}; + + printf("arr[-1] = %d\n", arr[-1]); // arr[-1] = -23718968 + printf("arr[-2] = %d\n", arr[-2]); // arr[-2] = 0 + printf("arr[0] = %d\n", arr[0]); // arr[0] = 10 + printf("arr[1] = %d\n", arr[1]); // arr[1] = 20 + printf("arr[2] = %d\n", arr[2]); // arr[2] = 30 + printf("arr[3] = %d\n", arr[3]); // arr[3] = -23718976 + printf("arr[4] = %d\n", arr[4]); // arr[4] = 605 + + return 0; +} +``` + +* 越界访问数组元素的值都是不确定的，没有实际的含义，因为在数组之外的内存，我们并不知道到底是什么，可能是其它变量的值，可能是函数参数，也可能是一个地址，这些都是不可控的。 + +> [!NOTE] +> +> 由于 C 语言的”放任“，我们访问数组时必须非常小心，要确保不会发生越界。 + +* 当发生数组越界时，如果我们对该内存有使用权限，那么程序将正常运行，但会出现不可控的结果，即：如果我们对该内存没有使用权限，或者该内存压根就没有就分配，那么程序就会崩溃，如下所示： + +```c +#include + +int main() { + int arr[3] = {0}; + printf("%d", arr[10000]); + return 0; +} +``` + +* 其结果，如下所示： + +![](./assets/19.png) + +> [!NOTE] +> +> * ① 每个程序能使用的内存都是有限的，该程序要访问 `4*10000` 字节处的内存，显然太远了，超出了程序的访问范围。 +> * ② 这个地方的内存可能没有被分配，可能是系统本身占用的内存，可能是其它数据的内存，如果放任这种行为，将带来非常危险的后果，操作系统只能让程序停止运行。 + +* 当然，我们在实际开发中，也不会这么访问，而是会使用 `sizeof` 运算符来获取数组的长度，进而遍历数组中的元素，即： + +```c {7} +#include + +int main() { + int arr[3] = {0}; + + // 获取数组的元素 + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + for (size_t i = 0; i < length; i++) { + printf("%d\n", arr[i]); + } + return 0; +} +``` + +## 3.2 数组溢出 + +* 数组溢出通常是指将数据存储到一个数组中，超出了数组所能容纳的空间，那么多余的元素就会被丢弃。对于一般的数组，貌似没什么问题，如下所示： + +```c +#include + +int main() { + int arr[3] = {0, 1, 2, 3, 4}; + + size_t length = sizeof(arr) / sizeof(int); + + for (size_t i = 0; i < length; i++) { + printf("%d\n", arr[i]); + } + return 0; +} +``` + +* 其结果，如下所示： + +![](./assets/20.png) + +* 但是，对于字符串而言，就会出现不可控的情况，如下所示： + +```c {4} +#include +int main() +{ + char str[10] = "Hello World，Hello World，Hello World，"; + puts(str); + return 0; +} +``` + +* 其结果，如下所示： + +![](./assets/21.png) + +* 因为字符串的长度大于数组的长度，数组只能容纳字符串前面的一部分，即使编译器在字符串最后保存了 `'\0'`，也无济于事，因为超过数组长度的元素都会被丢弃。而 `printf()` 输出字符串时，会从第 `0` 个元素开始往后检索，直到遇见`'\0'`才停止，然后把`'\0'`前面的字符全部输出，至于何时遇到 `'\0'`，就只有上帝才能知道。 + +> [!NOTE] +> +> * ① 在用字符串给字符数组赋值时，要保证数组长度大于字符串长度，以容纳结束符`'\0'`。 +> * ② `数组溢出`通常发生在动态分配内存或者通过不安全的函数（如： `strcpy`）进行字符串操作。 + + + +# 第四章：C 语言中的数组 VS Java 语言中的数组（⭐） + +## 4.1 Linux 下 32 位环境的用户空间内存分布情况 + +* 对于 32 位的环境而言，理论上程序是可以拥有 4GB 的虚拟地址空间的，在 C 语言中使用到的变量、函数、字符串等都会对应内存中的一块区域。 +* 但是，在这 4GB 的地址空间中，要拿出一部分给操作系统内核使用，应用程序无法直接访问这一段内存，这一部分内存地址被称为`内核空间`（Kernel Space）。 + +> [!NOTE] +> +> - ① Windows 在默认情况下会将高地址的 2GB 空间分配给内核（也可以配置为 1GB）。 +> - ② 而 Linux 默认情况下会将高地址的 1GB 空间分配给内核。 + +* 也就是说，应用程序只能使用剩下的 2GB 或 3GB 的地址空间，称为`用户空间`（User Space）。 +* Linux 下 32 位环境的经典内存模型，如下所示： + +![](./assets/22.svg) + +* 各个内存分区的说明，如下所示： + +| 内存分区 | 说明 | +| :------------------------ | :----------------------------------------------------------- | +| 程序代码区（code） | 存储程序的执行代码，通常为只读区，包含程序的指令。 程序启动时，这部分内存被加载到内存中，并不会在程序执行期间改变。 | +| 常量区（constant） | 存放程序中定义的常量值，通常也是只读的，这些常量在程序运行期间不可修改。 | +| 全局数据区（global data） | 存储程序中定义的全局变量和静态变量。 这些变量在程序的整个生命周期内存在，且可以被修改。 | +| 堆区（heap） | 用于动态分配内存，例如：通过 `malloc` 或 `new` 分配的内存块。 堆区的内存由程序员手动管理，负责分配和释放。 如果程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。 | +| 动态链接库 | 动态链接库（如： `.dll` 或 `.so` 文件）被加载到内存中特定的区域，供程序运行时使用。 | +| 栈区（stack） | 用于存储函数调用的局部变量、函数参数和返回地址。 栈是自动管理的，随着函数的调用和返回，栈上的内存会自动分配和释放。 | + +> [!NOTE] +> +> - ① 程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，不能销毁也不能增加（大小已被固定），只能等到程序运行结束后由操作系统收回，所以全局变量、字符串常量等在程序的任何地方都能访问，因为它们的内存一直都在。 +> - ② 函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。 +> - ③ 常量区、全局数据区、栈上的内存由系统自动分配和释放，不能由程序员控制。程序员唯一能控制的内存区域就是`堆`（Heap）：它是一块巨大的内存空间，常常占据整个虚拟空间的绝大部分，在这片空间中，程序可以申请一块内存，并自由地使用（放入任何数据）。堆内存在程序主动释放之前会一直存在，不随函数的结束而失效。在函数内部产生的数据只要放到堆中，就可以在函数外部使用。 + +## 4.2 C 语言中的数组 + +* 之前，我们都是这么使用数组的，如下所示： + +```c +#include + +int main() { + + // 定义数组和全部初始化：数组初始化的元素个数等于数组的长度。 + int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; + + return 0; +} +``` + +* 其实，这样定义的数组是在`栈`中的，而栈的内存空间是有限的，如果数组中的元素过多，将会出现 `Stack Overflow` 的现象，即：栈溢出。 + +> [!NOTE] +> +> * ① 栈内存的大小和编译器有关，编译器会为栈内存制定一个最大值。 +> * ② 在 VS 中，默认是 1 MB；在 GCC 下，默认是 8 MB。 +> * ③ 虽然可以通过参数来修改栈内存的大小；但是，在实际开发中，我们一般也不会这么做。 + +* 所以，在实际开发中，如果我们要使用数组，就需要在`堆`中开辟内存空间，因为堆中的内存空间是可以动态扩容和缩容的，只不多在 C 语言中对于堆中申请的内存空间，需要程序员在用完之后，手动释放掉；否则，将会造成内存泄漏现象。 + +```c +#include +#include + +int main() { + int n; // 数组的大小 + printf("请输入数组的大小: "); + scanf("%d", &n); + + // 使用 malloc 申请内存，申请 n 个 int 类型的空间 + int *array = (int *)malloc(n * sizeof(int)); + + // 检查 malloc 是否成功 + if (array == NULL) { + printf("内存分配失败！\n"); + return 1; // 程序退出 + } + + // 初始化数组并输出 + for (int i = 0; i < n; i++) { + array[i] = i + 1; // 简单赋值操作 + printf("array[%d] = %d\n", i, array[i]); + } + + // 使用完毕后，释放内存 + free(array); + + return 0; +} +``` + +## 4.3 Java 语言中的数组 + +* Java 语言和 C 语言不同，Java 语言从语法层面就将数组在内存中的分配放到了`堆`中。 + +```c +public class Test { + + public static void main(String[] args){ + // 在堆内存开辟数组，使用完毕后，不需要手动回收对应的内存空间 + int[] arr = new int[4] ; + } +} +``` + +> [!NOTE] +> +> * ① 在 Java 语言中，数组的内存分配是由 JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）自动管理的，开发者不需要像在 C 语言中那样手动调用 `malloc` 来申请内存。Java 提供了更加高级的内存管理机制，所有数组在堆中动态分配。 +> * ② 在 Java 中，声明和初始化数组的过程本质上就是在堆内存中分配数组内存的过程。每个数组在创建时都会被分配到堆中，并且由垃圾回收机制（Garbage Collector，GC）自动负责内存的回收。 +> * ③ 我们甚至可以理解为：Java 语言是 C 语言在实际开发过程中的最佳实践版本。 +