深入解析C语言的0长度数组(可变数组/柔性数组)
零长度数组概念:
众所周知, GNU/GCC 在标准的 C/C++ 基础上做了有实用性的扩展, 零长度数组(Arrays of Length Zero) 就是其中一个知名的扩展.
多数情况下, 其应用在变长数组中, 其定义如下:
struct Packet
{
int state;
int len;
char cData[0]; //这里的0长结构体就为变长结构体提供了非常好的支持
};
首先对 0长度数组, 也叫柔性数组 做一个解释 :
- 用途 : 长度为0的数组的主要用途是为了满足需要变长度的结构体
- 用法 : 在一个结构体的最后, 申明一个长度为0的数组, 就可以使得这个结构体是可变长的. 对于编译器来说, 此时长度为0的数组并不占用空间, 因为数组名本身不占空间, 它只是一个偏移量, 数组名这个符号本身代表了一个不可修改的地址常量
(注意 : 数组名永远都不会是指针!), 但对于这个数组的大小, 我们可以进行动态分配
注意 :如果结构体是通过calloc、malloc或 者new等动态分配方式生成,在不需要时要释放相应的空间。
优点 :比起在结构体中声明一个指针变量、再进行动态分 配的办法,这种方法效率要高。因为在访问数组内容时,不需要间接访问,避免了两次访存。
缺点 :在结构体中,数组为0的数组必须在最后声明,使 用上有一定限制。
对于编译器而言, 数组名仅仅是一个符号, 它不会占用任何空间, 它在结构体中, 只是代表了一个偏移量, 代表一个不可修改的地址常量!
0长度数组的用途:
我们设想这样一个场景, 我们在网络通信过程中使用的数据缓冲区, 缓冲区包括一个len字段和data字段, 分别标识数据的长度和传输的数据, 我们常见的有几种设计思路:
- 定长数据缓冲区, 设置一个足够大小 MAX_LENGTH 的数据缓冲区
- 设置一个指向实际数据的指针, 每次使用时, 按照数据的长度动态的开辟数据缓冲区的空间
我们从实际场景中应用的设计来考虑他们的优劣. 主要考虑的有, 缓冲区空间的开辟, 释放和访问。
1、定长包(开辟空间, 释放, 访问):
比如我要发送 1024 字节的数据, 如果用定长包, 假设定长包的长度 MAX_LENGTH 为 2048, 就会浪费 1024 个字节的空间, 也会造成不必要的流量浪费:
- 数据结构定义:
// 定长缓冲区
struct max_buffer
{
int len;
char data[MAX_LENGTH];
};
- 数据结构大小:考虑对齐, 那么数据结构的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char) * MAX_LENGTH
由于考虑到数据的溢出, 变长数据包中的 data 数组长度一般会设置得足够长足以容纳最大的数据, 因此 max_buffer 中的 data 数组很多情况下都没有填满数据, 因此造成了浪费
- 数据包的构造:假如我们要发送 CURR_LENGTH = 1024 个字节, 我们如何构造这个数据包呢;一般来说, 我们会返回一个指向缓冲区数据结构 max_buffer 的指针:
/// 开辟
if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
{
mbuffer->len = CURR_LENGTH;
memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s\n", mbuffer->len, mbuffer->data);
}
- 访问:这段内存要分两部分使用;前部分 4 个字节 p->len, 作为包头(就是多出来的那部分),这个包头是用来描述紧接着包头后面的数据部分的长度,这里是 1024, 所以前四个字节赋值为 1024 (既然我们要构造不定长数据包,那么这个包到底有多长呢,因此,我们就必须通过一个变量来表明这个数据包的长度,这就是len的作用);而紧接其后的内存是真正的数据部分, 通过 p->data, 最后, 进行一个 memcpy() 内存拷贝, 把要发送的数据填入到这段内存当中
- 释放:那么当使用完毕释放数据的空间的时候, 直接释放就可以了
/// 销毁
free(mbuffer);
mbuffer = NULL;
2、小结:
- 使用定长数组, 作为数据缓冲区, 为了避免造成缓冲区溢出, 数组的大小一般设为足够的空间 MAX_LENGTH, 而实际使用过程中, 达到 MAX_LENGTH 长度的数据很少, 那么多数情况下, 缓冲区的大部分空间都是浪费掉的
- 但是使用过程很简单, 数据空间的开辟和释放简单, 无需程序员考虑额外的操作
3、 指针数据包(开辟空间, 释放, 访问):
如果你将上面的长度为 MAX_LENGTH 的定长数组换为指针, 每次使用时动态的开辟 CURR_LENGTH 大小的空间, 那么就避免造成 MAX_LENGTH - CURR_LENGTH 空间的浪费, 只浪费了一个指针域的空间:
- 数据包定义:
struct point_buffer
{
int len;
char *data;
};
- 数据结构大小:考虑对齐, 那么数据结构的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char *)
- 空间分配:但是也造成了使用在分配内存时,需采用两步
// =====================
// 指针数组 占用-开辟-销毁
// =====================
/// 占用
printf("the length of struct test3:%d\n",sizeof(struct point_buffer));
/// 开辟
if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
{
pbuffer->len = CURR_LENGTH;
if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s\n", pbuffer->len, pbuffer->data);
}
}
首先, 需为结构体分配一块内存空间;其次再为结构体中的成员变量分配内存空间。
这样两次分配的内存是不连续的, 需要分别对其进行管理. 当使用长度为的数组时, 则是采用一次分配的原则, 一次性将所需的内存全部分配给它。
- 释放:相反, 释放时也是一样的:
/// 销毁
free(pbuffer->data);
free(pbuffer);
pbuffer = NULL;
- 小结:
- 使用指针结果作为缓冲区, 只多使用了一个指针大小的空间, 无需使用 MAX_LENGTH 长度的数组, 不会造成空间的大量浪费
- 但那是开辟空间时, 需要额外开辟数据域的空间, 施放时候也需要显示释放数据域的空间, 但是实际使用过程中, 往往在函数中开辟空间, 然后返回给使用者指向 struct point_buffer 的指针, 这时候我们并不能假定使用者了解我们开辟的细节, 并按照约定的操作释放空间, 因此使用起来多有不便, 甚至造成内存泄漏。
4、变长数据缓冲区(开辟空间, 释放, 访问)
定长数组使用方便, 但是却浪费空间, 指针形式只多使用了一个指针的空间, 不会造成大量空间分浪费, 但是使用起来需要多次分配, 多次释放, 那么有没有一种实现方式能够既不浪费空间, 又使用方便的呢?
GNU C 的0长度数组, 也叫变长数组, 柔性数组就是这样一个扩展. 对于0长数组的这个特点,很容易构造出变成结构体,如缓冲区,数据包等等:
- 数据结构定义:
// 0长度数组
struct zero_buffer
{
int len;
char data[0];
};
- 数据结构大小:这样的变长数组常用于网络通信中构造不定长数据包, 不会浪费空间浪费网络流量, 因为char data[0]; 只是个数组名, 是不占用存储空间的:
sizeof(struct zero_buffer) = sizeof(int)
- 开辟空间:那么我们使用的时候, 只需要开辟一次空间即可
/// 开辟
if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
zbuffer->len = CURR_LENGTH;
memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s\n", zbuffer->len, zbuffer->data);
}
- 释放空间:释放空间也是一样的, 一次释放即可
/// 销毁
free(zbuffer);
zbuffer = NULL;
- 总结:
// zero_length_array.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX_LENGTH 1024
#define CURR_LENGTH 512
// 0长度数组
struct zero_buffer
{
int len;
char data[0];
}__attribute((packed));
// 定长数组
struct max_buffer
{
int len;
char data[MAX_LENGTH];
}__attribute((packed));
// 指针数组
struct point_buffer
{
int len;
char *data;
}__attribute((packed));
int main(void)
{
struct zero_buffer *zbuffer = NULL;
struct max_buffer *mbuffer = NULL;
struct point_buffer *pbuffer = NULL;
// =====================
// 0长度数组 占用-开辟-销毁
// =====================
/// 占用
printf("the length of struct test1:%d\n",sizeof(struct zero_buffer));
/// 开辟
if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
zbuffer->len = CURR_LENGTH;
memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s\n", zbuffer->len, zbuffer->data);
}
/// 销毁
free(zbuffer);
zbuffer = NULL;
// =====================
// 定长数组 占用-开辟-销毁
// =====================
/// 占用
printf("the length of struct test2:%d\n",sizeof(struct max_buffer));
/// 开辟
if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
{
mbuffer->len = CURR_LENGTH;
memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s\n", mbuffer->len, mbuffer->data);
}
/// 销毁
free(mbuffer);
mbuffer = NULL;
// =====================
// 指针数组 占用-开辟-销毁
// =====================
/// 占用
printf("the length of struct test3:%d\n",sizeof(struct point_buffer));
/// 开辟
if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
{
pbuffer->len = CURR_LENGTH;
if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s\n", pbuffer->len, pbuffer->data);
}
}
/// 销毁
free(pbuffer->data);
free(pbuffer);
pbuffer = NULL;
return EXIT_SUCCESS;
}
GNU Document中 变长数组的支持:
参考:
6.17 Arrays of Length Zero
C Struct Hack – Structure with variable length array
在 C90 之前, 并不支持0长度的数组, 0长度数组是 GNU C 的一个扩展, 因此早期的编译器中是无法通过编译的;对于 GNU C 增加的扩展, GCC 提供了编译选项来明确的标识出他们:
- -pedantic 选项,那么使用了扩展语法的地方将产生相应的警告信息
- -Wall 使用它能够使GCC产生尽可能多的警告信息
- -Werror, 它要求GCC将所有的警告当成错误进行处理
// 1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
char a[0];
printf("%ld", sizeof(a));
return EXIT_SUCCESS;
}
我们来编译:
gcc 1.c -Wall # 显示所有警告
#none warning and error
gcc 1.c -Wall -pedantic # 对GNU C的扩展显示警告
1.c: In function ‘main’:
1.c:7: warning: ISO C forbids zero-size array ‘a’
gcc 1.c -Werror -Wall -pedantic # 显示所有警告同时GNU C的扩展显示警告, 将警告用error显示
cc1: warnings being treated as errors
1.c: In function ‘main’:
1.c:7: error: ISO C forbids zero-size array ‘a’
0长度数组其实就是灵活的运用的数组指向的是其后面的连续的内存空间:
struct buffer
{
int len;
char data[0];
};
在早期没引入0长度数组的时候, 大家是通过定长数组和指针的方式来解决的, 但是:
- 定长数组定义了一个足够大的缓冲区, 这样使用方便, 但是每次都造成空间的浪费
- 指针的方式, 要求程序员在释放空间是必须进行多次的free操作, 而我们在使用的过程中往往在函数中返回了指向缓冲区的指针, 我们并不能保证每个人都理解并遵从我们的释放方式
所以 GNU 就对其进行了0长度数组的扩展. 当使用data[0]的时候, 也就是0长度数组的时候,0长度数组作为数组名, 并不占用存储空间.
在C99之后,也加了类似的扩展,只不过用的是 char payload[]这种形式(所以如果你在编译的时候确实需要用到-pedantic参数,那么你可以将char payload[0]类型改成char payload[], 这样就可以编译通过了,当然你的编译器必须支持C99标准的,如果太古老的编译器,那可能不支持了)
// 2.c payload
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct payload
{
int len;
char data[];
};
int main(void)
{
struct payload pay;
printf("%ld", sizeof(pay));
return EXIT_SUCCESS;
}
使用 -pedantic 编译后, 不出现警告, 说明这种语法是 C 标准的
gcc 2.c -pedantic -std=c99
所以结构体的末尾, 就是指向了其后面的内存数据。因此我们可以很好的将该类型的结构体作为数据报文的头格式,并且最后一个成员变量,也就刚好是数据内容了.
GNU手册还提供了另外两个结构体来说明,更容易看懂意思:
struct f1 {
int x;
int y[];
} f1 = { 1, { 2, 3, 4 } };
struct f2 {
struct f1 f1;
int data[3];
} f2 = { { 1 }, { 5, 6, 7 } };
我把f2里面的2,3,4改成了5,6,7以示区分。如果你把数据打出来。即如下的信息:
f1.x = 1
f1.y[0] = 2
f1.y[1] = 3
f1.y[2] = 4
也就是f1.y指向的是{2,3,4}这块内存中的数据。所以我们就可以轻易的得到,f2.f1.y指向的数据也就是正好f2.data的内容了。打印出来的数据:
f2.f1.x = 1
f2.f1.y[0] = 5
f2.f1.y[1] = 6
f2.f1.y[2] = 7
如果你不是很确认其是否占用空间. 你可以用sizeof来计算一下。就可以知道sizeof(struct f1)=4,也就是int y[]其实是不占用空间的。但是这个0长度的数组,必须放在结构体的末尾。如果你没有把它放在末尾的话。编译的时候,会有如下的错误:
main.c:37:9: error: flexible array member not at end of struct
int y[];
^
到这边,你可能会有疑问,如果将struct f1中的int y[]替换成int *y,又会是如何?这就涉及到数组和指针的问题了. 有时候吧,这两个是一样的,有时候又有区别。
首先要说明的是,支持0长度数组的扩展,重点在数组,也就是不能用int *y指针来替换。sizeof的长度就不一样了。把struct f1改成这样:
struct f3 {
int x;
int *y;
};
在32/64位下, int均是4个字节, sizeof(struct f1)=4,而sizeof(struct f3)=16
因为 int *y 是指针, 指针在64位下, 是64位的, sizeof(struct f3) = 16, 如果在32位环境的话, sizeof(struct f3) 则是 8 了, sizeof(struct f1) 不变. 所以 int *y 是不能替代 int y[] 的;
代码如下:
// 3.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct f1 {
int x;
int y[];
} f1 = { 1, { 2, 3, 4 } };
struct f2 {
struct f1 f1;
int data[3];
} f2 = { { 1 }, { 5, 6, 7 } };
struct f3
{
int x;
int *y;
};
int main(void)
{
printf("sizeof(f1) = %d\n", sizeof(struct f1));
printf("sizeof(f2) = %d\n", sizeof(struct f2));
printf("szieof(f3) = %d\n\n", sizeof(struct f3));
printf("f1.x = %d\n", f1.x);
printf("f1.y[0] = %d\n", f1.y[0]);
printf("f1.y[1] = %d\n", f1.y[1]);
printf("f1.y[2] = %d\n", f1.y[2]);
printf("f2.f1.x = %d\n", f1.x);
printf("f2.f1.y[0] = %d\n", f2.f1.y[0]);
printf("f2.f1.y[1] = %d\n", f2.f1.y[1]);
printf("f2.f1.y[2] = %d\n", f2.f1.y[2]);
return EXIT_SUCCESS;
}
0长度数组的其他特征:
1、为什么0长度数组不占用存储空间:
0长度数组与指针实现有什么区别呢, 为什么0长度数组不占用存储空间呢?
其实本质上涉及到的是一个C语言里面的数组和指针的区别问题. char a[1]里面的a和char *b的b相同吗?
《 Programming Abstractions in C》(Roberts, E. S.,机械工业出版社,2004.6)82页里面说:
“arr is defined to be identical to &arr[0]”.
也就是说,char a[1]里面的a实际是一个常量,等于&a[0]。而char *b是有一个实实在在的指针变量b存在。所以,a=b是不允许的,而b=a是允许的。两种变量都支持下标式的访问,那么对于a[0]和b[0]本质上是否有区别?我们可以通过一个例子来说明。
参见如下两个程序 gdb_zero_length_array.c 和 gdb_zero_length_array.c:
// gdb_zero_length_array.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct str
{
int len;
char s[0];
};
struct foo
{
struct str *a;
};
int main(void)
{
struct foo f = { NULL };
printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str));
printf("before f.a->s.\n");
if(f.a->s)
{
printf("before printf f.a->s.\n");
printf(f.a->s);
printf("before printf f.a->s.\n");
}
return EXIT_SUCCESS;
}
// gdb_pzero_length_array.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct str
{
int len;
char *s;
};
struct foo
{
struct str *a;
};
int main(void)
{
struct foo f = { NULL };
printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str));
printf("before f.a->s.\n");
if (f.a->s)
{
printf("before printf f.a->s.\n");
printf(f.a->s);
printf("before printf f.a->s.\n");
}
return EXIT_SUCCESS;
}
可以看到这两个程序虽然都存在访问异常, 但是段错误的位置却不同
我们将两个程序编译成汇编, 然户 diff 查看他们的汇编代码有何不同
gcc -S gdb_zero_length_array.c -o gdb_test.s
gcc -S gdb_pzero_length_array.c -o gdb_ptest
diff gdb_test.s gdb_ptest.s
1c1
< .file "gdb_zero_length_array.c"
---
> .file "gdb_pzero_length_array.c"
23c23
< movl $4, %esi
---
> movl $16, %esi
30c30
< addq $4, %rax
---
> movq 8(%rax), %rax
36c36
< addq $4, %rax
---
> movq 8(%rax), %rax
# printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str));
23c23
< movl $4, %esi #printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str));
---
> movl $16, %esi #printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str));
从64位系统中, 汇编我们看出, 变长数组结构的大小为4, 而指针形式的结构大小为16:
f.a->s
30c30/36c36
< addq $4, %rax
---
> movq 8(%rax), %rax
可以看到有:
- 对于 char s[0] 来说, 汇编代码用了 addq 指令, addq $4, %rax
- 对于 char*s 来说,汇编代码用了 movq 指令, movq 8(%rax), %rax
addq 对 %rax + sizeof(struct str), 即str结构的末尾即是char s[0]的地址, 这一步只是拿到了其地址, 而 movq 则是把地址里的内容放进去, 因此有时也被翻译为leap指令, 参见下一列子
从这里可以看到, 访问成员数组名其实得到的是数组的相对地址, 而访问成员指针其实是相对地址里的内容(这和访问其它非指针或数组的变量是一样的):
- 访问相对地址,程序不会crash,但是,访问一个非法的地址中的内容,程序就会crash。
// 4-1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
char *a;
printf("%p\n", a);
return EXIT_SUCCESS;
}
4-2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
char a[0];
printf("%p\n", a);
return EXIT_SUCCESS;
}
$ diff 4-1.s 4-2.s
1c1
< .file "4-1.c"
---
> .file "4-2.c"
13c13
< subl $16, %esp
---
> subl $32, %esp
15c15
< leal 16(%esp), %eax
---
> movl 28(%esp), %eax
- 对于 char a[0] 来说, 汇编代码用了 leal 指令, leal 16(%esp), %eax:
- 对于 char *a 来说,汇编代码用了 movl 指令, movl 28(%esp), %eax
2、地址优化:
// 5-1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
char a[0];
printf("%p\n", a);
char b[0];
printf("%p\n", b);
return EXIT_SUCCESS;
}
由于0长度数组是 GNU C 的扩展, 不被标准库任可, 那么一些巧妙编写的诡异代码, 其执行结果就是依赖于编译器和优化策略的实现的.
比如上面的代码, a和b的地址就会被编译器优化到一处, 因为a[0] 和 b[0] 对于程序来说是无法使用的, 这让我们想到了什么?
编译器对于相同字符串常量, 往往地址也是优化到一处, 减少空间占用:
// 5-2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
const char *a = "Hello";
printf("%p\n", a);
const char *b = "Hello";
printf("%p\n", b);
const char c[] = "Hello";
printf("%p\n", c);
return EXIT_SUCCESS;
}
文章参考:https://kernel.blog.****.net/article/details/64131322
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MAX_LEN) {
int pivot = partition(arr, left, right);
quicksort_optimized(arr, left, pivot - 1);
quicksort_optimized(arr, pivot + 1, right);
} else {
// 使用插入排序处理小数组
}
}
```
- 合并相同值进行分割:在每次划分后,我们将与枢轴相等的元素聚集在一起,以降低后续迭代中的重复处理。例如:
原序列: 1 4 6 7 6 6 7 6 8 6
- 选取枢轴(6)并划分:1 4 6 7 1 6 7 6 8 6
- 划分结果(未处理相等项):1 4 6 6 7 6 7 6 8 6
- 处理相等项后的划分结果:1 4 6 6 6 6 7 8 7
- 下次划分得到的子序列:1 4 和 7 8 7
通过这样的优化,我们可以明显减少迭代次数,从而提高排序效率。">
改进版快速排序:针对部分有序列的策略与优化技巧" - 随机选枢轴:当数据部分有序时,传统快速排序通过固定枢轴可能导致效率低下。为此,我们采用随机选取枢轴的方法,代码如下: ```c int SelectPivotRandom(int arr[], int low, int high) { srand(time(0)); int pivotPos = (rand() % (high - low)) + low; swap(arr[pivotPos], arr[low]); return arr[low]; } ``` - 优化小数组交换:针对小且部分有序的数组,快速排序不如插入排序高效。因此,当待排序序列长度小于等于10时,我们会切换至插入排序: ```c #define MAX_LEN 10 void quicksort_optimized(int *arr, int left, int right) { int length = right - left; if (length > MAX_LEN) { int pivot = partition(arr, left, right); quicksort_optimized(arr, left, pivot - 1); quicksort_optimized(arr, pivot + 1, right); } else { // 使用插入排序处理小数组 } } ``` - 合并相同值进行分割:在每次划分后,我们将与枢轴相等的元素聚集在一起,以降低后续迭代中的重复处理。例如: 原序列: 1 4 6 7 6 6 7 6 8 6 - 选取枢轴(6)并划分:1 4 6 7 1 6 7 6 8 6 - 划分结果(未处理相等项):1 4 6 6 7 6 7 6 8 6 - 处理相等项后的划分结果:1 4 6 6 6 6 7 8 7 - 下次划分得到的子序列:1 4 和 7 8 7 通过这样的优化,我们可以明显减少迭代次数,从而提高排序效率。
-
C语言实战与程序设计:深入探索数组的奥秘
-
= 0; i--) {
printf("%5d", *(p + i));
}
printf("\n");
return 0;
}
```
2. 利用指针计算奇数索引数组元素之和
```c
// 使用指针计算奇数索引数组元素之和
#include
int main() { int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); printf("数组元素: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%3d", arr[i]); // 宽度为3,右对齐 } printf("\n"); printf("数组下标: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%3d", i); // 宽度为3,右对齐 } printf("\n"); int sum = 0; int *p = arr; // 声明指向整数的指针 for (int i = 0; i < n; i++) { if (i % 2 != 0) { sum += *(p + i); // 若索引i为奇数,累加对应元素值 } } printf("奇数索引数组元素之和: %d\n", sum); return 0; } ``` 3. 查看不同类型指针在Linux Ubuntu gcc下的字节大小 ```c // 在Linux Ubuntu gcc环境下查看不同类型指针的字节大小 #include #include int main() { printf("int指针大小: %zu bytes\n", sizeof(int *)); printf("char指针大小: %zu bytes\n", sizeof(char *)); printf("float指针大小: %zu bytes\n", sizeof(float *)); printf("double指针大小: %zu bytes\n", sizeof(double *)); return 0; } ``` 请注意,对于现代64位系统(如Linux),`int`、`char`、`float`和`double`指针通常都是8字节。但在某些特定情况下(如32位系统或特定编译环境),可能有所不同。 4. 使用指针遍历并打印字符数组 ```c // 使用指针遍历并打印字符数组 #include #include // 引入strlen函数 int main() { char str[] = "Hello, World"; // 字符串常量 int len = strlen(str); // 获取字符串长度 char *ptr = str; // 定义指向字符的指针 printf("输出字符串: %s\n", str); // 输出原始字符串 printf("遍历并打印字符数组: "); for (int i = 0; i < len; i++) { printf("%c", *ptr); // 输出当前字符 ptr++; // 移动指针到下一个字符 } printf("\n"); return 0; } ``` 对于用户自定义输入字符串的情况,请参考以下代码: ```c #include #include int main() { char input[100]; // 用于存放用户输入的字符串,假设最大长度为100 printf("请输入字符串: "); fgets(input, sizeof(input), stdin); // 从标准输入读取字符串,fgets会保留换行符 int len = strlen(input) - 1; // 去掉fgets读取的换行符 char *ptr = input; // 定义指向字符的指针 printf("输入的字符串: %s\n", input); printf("遍历并打印字符数组: "); for (int i = 0; i < len; i++) { printf("%c", *ptr); // 输出当前字符 ptr++; // 移动指针到下一个字符 } printf("\n"); return 0; } ```"> 1. 使用指针倒序显示整数数组内容 ```c // 通过指针逆序打印整数数组 #include
#include #include int main() { int arr[10] = {0}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); srand(time(NULL)); printf("原始数组: "); for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = rand() % 100; printf("%5d", arr[i]); } printf("\n"); int *p = arr; // 指针指向数组元素 printf("反转打印数组元素: "); for (int i = n - 1; i >= 0; i--) { printf("%5d", *(p + i)); } printf("\n"); return 0; } ``` 2. 利用指针计算奇数索引数组元素之和 ```c // 使用指针计算奇数索引数组元素之和 #include int main() { int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); printf("数组元素: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%3d", arr[i]); // 宽度为3,右对齐 } printf("\n"); printf("数组下标: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%3d", i); // 宽度为3,右对齐 } printf("\n"); int sum = 0; int *p = arr; // 声明指向整数的指针 for (int i = 0; i < n; i++) { if (i % 2 != 0) { sum += *(p + i); // 若索引i为奇数,累加对应元素值 } } printf("奇数索引数组元素之和: %d\n", sum); return 0; } ``` 3. 查看不同类型指针在Linux Ubuntu gcc下的字节大小 ```c // 在Linux Ubuntu gcc环境下查看不同类型指针的字节大小 #include #include int main() { printf("int指针大小: %zu bytes\n", sizeof(int *)); printf("char指针大小: %zu bytes\n", sizeof(char *)); printf("float指针大小: %zu bytes\n", sizeof(float *)); printf("double指针大小: %zu bytes\n", sizeof(double *)); return 0; } ``` 请注意,对于现代64位系统(如Linux),`int`、`char`、`float`和`double`指针通常都是8字节。但在某些特定情况下(如32位系统或特定编译环境),可能有所不同。 4. 使用指针遍历并打印字符数组 ```c // 使用指针遍历并打印字符数组 #include #include // 引入strlen函数 int main() { char str[] = "Hello, World"; // 字符串常量 int len = strlen(str); // 获取字符串长度 char *ptr = str; // 定义指向字符的指针 printf("输出字符串: %s\n", str); // 输出原始字符串 printf("遍历并打印字符数组: "); for (int i = 0; i < len; i++) { printf("%c", *ptr); // 输出当前字符 ptr++; // 移动指针到下一个字符 } printf("\n"); return 0; } ``` 对于用户自定义输入字符串的情况,请参考以下代码: ```c #include #include int main() { char input[100]; // 用于存放用户输入的字符串,假设最大长度为100 printf("请输入字符串: "); fgets(input, sizeof(input), stdin); // 从标准输入读取字符串,fgets会保留换行符 int len = strlen(input) - 1; // 去掉fgets读取的换行符 char *ptr = input; // 定义指向字符的指针 printf("输入的字符串: %s\n", input); printf("遍历并打印字符数组: "); for (int i = 0; i < len; i++) { printf("%c", *ptr); // 输出当前字符 ptr++; // 移动指针到下一个字符 } printf("\n"); return 0; } ``` -
C#"中的Break和Continue语句,以及数组的深入解析
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F#探险之旅(二):函数式编程(上)-函数式编程范式简介 F#主要支持三种编程范式:函数式编程(Functional Programming,FP)、命令式编程(Imperative Programming)和面向对象(Object-Oriented,OO)的编程。回顾它们的历史,FP是最早的一种范式,第一种FP语言是IPL,产生于1955年,大约在Fortran一年之前。第二种FP语言是Lisp,产生于1958,早于Cobol一年。Fortan和Cobol都是命令式编程语言,它们在科学和商业领域的迅速成功使得命令式编程在30多年的时间里独领风骚。而产生于1970年代的面向对象编程则不断成熟,至今已是最流行的编程范式。有道是“*代有语言出,各领风骚数十年”。 尽管强大的FP语言(SML,Ocaml,Haskell及Clean等)和类FP语言(APL和Lisp是现实世界中最成功的两个)在1950年代就不断发展,FP仍停留在学院派的“象牙塔”里;而命令式编程和面向对象编程则分别凭着在商业领域和企业级应用的需要占据领先。今天,FP的潜力终被认识——它是用来解决更复杂的问题的(当然更简单的问题也不在话下)。 纯粹的FP将程序看作是接受参数并返回值的函数的集合,它不允许有副作用(side effect,即改变了状态),使用递归而不是循环进行迭代。FP中的函数很像数学中的函数,它们都不改变程序的状态。举个简单的例子,一旦将一个值赋给一个标识符,它就不会改变了,函数不改变参数的值,返回值是全新的值。 FP的数学基础使得它很是优雅,FP的程序看起来往往简洁、漂亮。但它无状态和递归的天性使得它在处理很多通用的编程任务时没有其它的编程范式来得方便。但对F#来说这不是问题,它的优势之一就是融合了多种编程范式,允许开发人员按照需要采用最好的范式。 关于FP的更多内容建议阅读一下这篇文章:Why Functional Programming Matters(中文版)。F#中的函数式编程 从现在开始,我将对F#中FP相关的主要语言结构逐一进行介绍。标识符(Identifier) 在F#中,我们通过标识符给值(value)取名字,这样就可以在后面的程序中引用它。通过关键字let定义标识符,如: let x = 42 这看起来像命令式编程语言中的赋值语句,两者有着关键的不同。在纯粹的FP中,一旦值赋给了标识符就不能改变了,这也是把它称为标识符而非变量(variable)的原因。另外,在某些条件下,我们可以重定义标识符;在F#的命令式编程范式下,在某些条件下标识符的值是可以修改的。 标识符也可用于引用函数,在F#中函数本质上也是值。也就是说,F#中没有真正的函数名和参数名的概念,它们都是标识符。定义函数的方式与定义值是类似的,只是会有额外的标识符表示参数: let add x y = x + y 这里共有三个标识符,add表示函数名,x和y表示它的参数。关键字和保留字关键字是指语言中一些标记,它们被编译器保留作特殊之用。在F#中,不能用作标识符或类型的名称(后面会讨论“定义类型”)。它们是: abstract and as asr assert begin class default delegate do donedowncast downto elif else end exception extern false finally forfun function if in inherit inline interface internal land lazy letlor lsr lxor match member mod module mutable namespace new nullof open or override private public rec return sig static structthen to true try type upcast use val void when while with yield 保留字是指当前还不是关键字,但被F#保留做将来之用。可以用它们来定义标识符或类型名称,但编译器会报告一个警告。如果你在意程序与未来版本编译器的兼容性,最好不要使用。它们是: atomic break checked component const constraint constructor continue eager event external fixed functor global include method mixinobject parallel process protected pure sealed trait virtual volatile 文字值(Literals) 文字值表示常数值,在构建计算代码块时很有用,F#提供了丰富的文字值集。与C#类似,这些文字值包括了常见的字符串、字符、布尔值、整型数、浮点数等,在此不再赘述,详细信息请查看F#手册。 与C#一样,F#中的字符串常量表示也有两种方式。一是常规字符串(regular string),其中可包含转义字符;二是逐字字符串(verbatim string),其中的(")被看作是常规的字符,而两个双引号作为双引号的转义表示。下面这个简单的例子演示了常见的文字常量表示: let message = "Hello World"r"n!" // 常规字符串let dir = @"C:"FS"FP" // 逐字字符串let bytes = "bytes"B // byte 数组let xA = 0xFFy // sbyte, 16进制表示let xB = 0o777un // unsigned native-sized integer,8进制表示let print x = printfn "%A" xlet main = print message; print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面
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