练习16：结构体和指向它们的指针

原文：Exercise 16: Structs And Pointers To Them

译者：飞龙

在这个练习中你将会学到如何创建struct，将一个指针指向它们，以及使用它们来理解内存的内部结构。我也会借助上一节课中的指针知识，并且让你使用malloc从原始内存中构造这些结构体。

像往常一样，下面是我们将要讨论的程序，你应该把它打下来并且使它正常工作：

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <assert.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <string.h>
  6. struct Person {
  7.     char *name;
  8.     int age;
  9.     int height;
  10.     int weight;
  11. };
  13. struct Person *Person_create(char *name, int age, int height, int weight)
  14. {
  15.     struct Person *who = malloc(sizeof(struct Person));
  16.     assert(who != NULL);
  18.     who->name = strdup(name);
  19.     who->age = age;
  20.     who->height = height;
  21.     who->weight = weight;
  23.     return who;
  24. }
  26. void Person_destroy(struct Person *who)
  27. {
  28.     assert(who != NULL);
  30.     free(who->name);
  31.     free(who);
  32. }
  34. void Person_print(struct Person *who)
  35. {
  36.     printf("Name: %s\n", who->name);
  37.     printf("\tAge: %d\n", who->age);
  38.     printf("\tHeight: %d\n", who->height);
  39.     printf("\tWeight: %d\n", who->weight);
  40. }
  42. int main(int argc, char *argv[])
  43. {
  44.     // make two people structures
  45.     struct Person *joe = Person_create(
  46.             "Joe Alex", 32, 64, 140);
  48.     struct Person *frank = Person_create(
  49.             "Frank Blank", 20, 72, 180);
  51.     // print them out and where they are in memory
  52.     printf("Joe is at memory location %p:\n", joe);
  53.     Person_print(joe);
  55.     printf("Frank is at memory location %p:\n", frank);
  56.     Person_print(frank);
  58.     // make everyone age 20 years and print them again
  59.     joe->age += 20;
  60.     joe->height -= 2;
  61.     joe->weight += 40;
  62.     Person_print(joe);
  64.     frank->age += 20;
  65.     frank->weight += 20;
  66.     Person_print(frank);
  68.     // destroy them both so we clean up
  69.     Person_destroy(joe);
  70.     Person_destroy(frank);
  72.     return 0;
  73. }

我打算使用一种和之前不一样的方法来描述这段程序。我并不会对程序做逐行的拆分，而是由你自己写出来。我会基于程序所包含的部分来给你提示，你的任务就是写出每行是干什么的。

包含（include）

我包含了一些新的头文件，来访问一些新的函数。每个头文件都提供了什么东西？

struct Person

这就是我创建结构体的地方了，结构体含有四个成员来描述一个人。最后我们得到了一个复合类型，让我们通过一个名字来整体引用这些成员，或它们的每一个。这就像数据库表中的一行或者OOP语言中的一个类那样。

Pearson_create 函数

我需要一个方法来创建这些结构体，于是我定义了一个函数来实现。下面是这个函数做的几件重要的事情：

  • 使用用于内存分配的malloc来向OS申请一块原始的内存。
  • 向malloc传递sizeof(struct Person)参数，它计算结构体的大小，包含其中的所有成员。
  • 使用了assert来确保从malloc得到一块有效的内存。有一个特殊的常亮叫做NULL，表示“未设置或无效的指针”。这个assert大致检查了malloc是否会返回NULL。
  • 使用x->y语法来初始化struct Person的每个成员，它指明了所初始化的成员。
  • 使用strdup来复制字符串name，是为了确保结构体真正拥有它。strdup的行为实际上类似malloc但是它同时会将原来的字符串复制到新创建的内存。

译者注：x->y是(*x).y的简写。

Person_destroy 函数

如果定义了创建函数，那么一定需要一个销毁函数，它会销毁Person结构体。我再一次使用了assert来确保不会得到错误的输入。接着我使用了free函数来交还通过malloc和strdup得到的内存。如果你不这么做则会出现“内存泄露”。

译者注：不想显式释放内存又能避免内存泄露的办法是引入libGC库。你需要把所有的malloc换成GC_malloc，然后把所有的free删掉。

Person_print 函数

接下来我需要一个方法来打印出人们的信息，这就是这个函数所做的事情。它用了相同的x->y语法从结构体中获取成员来打印。

main 函数

我在main函数中使用了所有前面的函数和struct Person来执行下面的事情：

  • 创建了两个人：joe和frank。
  • 把它们打印出来，注意我用了%p占位符，所以你可以看到程序实际上把结构体放到了哪里。
  • 把它们的年龄增加20岁，同时增加它们的体重。
  • 之后打印出每个人。
  • 最后销毁结构体，以正确的方式清理它们。

请仔细阅读上面的描述，然后做下面的事情：

  • 查询每个你不了解的函数或头文件。记住你通常可以使用man 2 function或者man 3 function来让它告诉你。你也可以上网搜索资料。
  • 在每一行上方编写注释，写下这一行代码做了什么。
  • 跟踪每一个函数调用和变量，你会知道它在程序中是在哪里出现的。
  • 同时也查询你不清楚的任何符号。

你会看到什么

在你使用描述性注释扩展程序之后，要确保它实际上能够运行，并且产生下面的输出：

  1. $ make ex16
  2. cc -Wall -g    ex16.c   -o ex16
  4. $ ./ex16
  5. Joe is at memory location 0xeba010:
  6. Name: Joe Alex
  7.     Age: 32
  8.     Height: 64
  9.     Weight: 140
  10. Frank is at memory location 0xeba050:
  11. Name: Frank Blank
  12.    Age: 20
  13.    Height: 72
  14.    Weight: 180
  15. Name: Joe Alex
  16.    Age: 52
  17.    Height: 62
  18.    Weight: 180
  19. Name: Frank Blank
  20.    Age: 40
  21.    Height: 72
  22.    Weight: 200

解释结构体

如果你完成了我要求的任务，你应该理解了结构体。不过让我来做一个明确的解释，确保你真正理解了它。

C中的结构体是其它数据类型（变量）的一个集合，它们储存在一块内存中，然而你可以通过独立的名字来访问每个变量。它们就类似于数据库表中的一行记录，或者面向对象语言中的一个非常简单的类。让我们以这种方式来理解它：

  • 在上面的代码中，你创建了一个结构体，它们的成员用于描述一个人：名称、年龄、体重、身高。
  • 每个成员都有一个类型，比如是int。
  • C会将它们打包到一起，于是它们可以用单个的结构体来存放。
  • struct Person是一个复合类型，这意味着你可以在同种表达式中将其引用为其它的数据类型。
  • 你可以将这一紧密的组合传递给其它函数，就像Person_print那样。
  • 如果结构体是指针的形式，接着你可以使用x->y通过它们的名字来访问结构体中独立的部分。
  • 还有一种创建结构体的方法，不需要指针，通过x.y来访问。你将会在附加题里面见到它。

如果你不使用结构体，则需要自己计算出大小、打包以及定位出指定内容的内存片位置。实际上，在大多数早期（甚至现在的一些）的汇编代码中，这就是唯一的方式。在C中你就可以让C来处理这些复合数据类型的内存构造，并且专注于和它们交互。

如何使它崩溃

使这个程序崩溃的办法涉及到使用指针和malloc系统的方法：

  • 试着传递NULL给Person_destroy来看看会发生什么。如果它没有崩溃，你必须移除Makefile的CFLAGS中的-g选项。
  • 在结尾处忘记调用Person_destroy，在Valgrind下运行程序，你会看到它报告出你忘记释放内存。弄清楚你应该向valgrind传递什么参数来让它向你报告内存如何泄露。
  • 忘记在Person_destroy中释放who->name，并且对比两次的输出。同时，使用正确的选项来让Valgrind告诉你哪里错了。
  • 这一次，向Person_print传递NULL，并且观察Valgrind会输出什么。
  • 你应该明白了NULL是个使程序崩溃的快速方法。

附加题

在这个练习的附加题中我想让你尝试一些有难度的东西：将这个程序改为不用指针和malloc的版本。这可能很困难，所以你需要研究下面这些东西：

  • 如何在栈上创建结构体，就像你创建任何其它变量那样。
  • 如何使用x.y而不是x->y来初始化结构体。
  • 如何不使用指针来将结构体传给其它函数。