第二次作业（c语言）

printf函数是一个标准库函数，它的函数原型在头文件“stdio.h”中。但作为一个特例，不要求在使用 printf 函数之前必须包含stdio.h文件。printf函数调用的一般形式为：
printf(“格式控制字符串”, 输出表列)
其中格式控制字符串用于指定输出格式。格式控制串可由格式字符串和非格式字符串两种组成。格式字符串是以%开头的字符串，在%后面跟有各种格式字符，以说明输出数据的类型、形式、长度、小数位数等。如：
“%d”表示按十进制整型输出；
“%ld”表示按十进制长整型输出；
“%c”表示按字符型输出等。

非格式字符串原样输出，在显示中起提示作用。输出表列中给出了各个输出项，要求格式字符串和各输出项在数量和类型上应该一一对应。

格式字符串
在Turbo C中格式字符串的一般形式为：
[标志][输出最小宽度][.精度][长度]类型。
其中方括号[]中的项为可选项。

各项的意义介绍如下。

1) 类型
类型字符用以表示输出数据的类型，其格式符和意义如下表所示：
格式字符 意义
d 以十进制形式输出带符号整数(正数不输出符号)
o 以八进制形式输出无符号整数(不输出前缀0)
x,X 以十六进制形式输出无符号整数(不输出前缀Ox)
u 以十进制形式输出无符号整数
f 以小数形式输出单、双精度实数
e,E 以指数形式输出单、双精度实数
g,G 以%f或%e中较短的输出宽度输出单、双精度实数
c 输出单个字符
s 输出字符串

2) 标志
标志字符为 -、+、# 和空格四种，其意义下表所示：
标 志 意义
- 结果左对齐，右边填空格
+ 输出符号(正号或负号)
空格 输出值为正时冠以空格，为负时冠以负号

对c、s、d、u类无影响；

对o类，在输出时加前缀o；
对x类，在输出时加前缀0x；
对e、g、f 类当结果有小数时才给出小数点。
3) 输出最小宽度
用十进制整数来表示输出的最少位数。若实际位数多于定义的宽度，则按实际位数输出，若实际位数少于定义的宽度则补以空格或0。

4) 精度
精度格式符以“.”开头，后跟十进制整数。本项的意义是：如果输出数字，则表示小数的位数；如果输出的是字符，则表示输出字符的个数；若实际位数大于所定义的精度数，则截去超过的部分。

5) 长度
长度格式符为h、l两种，h表示按短整型量输出，l表示按长整型量输出。

函数名: scanf
功 能: 执行格式化输入
用 法: int scanf(char *format[,argument,…]);
scanf()函数是通用终端格式化输入函数，它从标准输入设备(键盘) 读取输入的信息。可以读入任何固有类型的数据并自动把数值变换成适当的机内格式。
其调用格式为: scanf(“<格式化字符串>”，<地址表>);
scanf()函数返回成功赋值的数据项数，出错时则返回EOF。
其控制串由三类字符构成：
1。格式化说明符；
2。空白符；
3。非空白符；

（A） 格式化说明符

格式字符 说明
%a 读入一个浮点值(仅C99有效)
%A 同上
%c 读入一个字符
%d 读入十进制整数
%i 读入十进制，八进制，十六进制整数
%o 读入八进制整数
%x 读入十六进制整数
%X 同上
%c 读入一个字符
%s 读入一个字符串
%f 读入一个浮点数
%F 同上
%e 同上
%E 同上
%g 同上
%G 同上
%p 读入一个指针
%u 读入一个无符号十进制整数
%n 至此已读入值的等价字符数
%[] 扫描字符集合
%% 读%符号

附加格式说明字符表
修饰符 说明
L/l 长度修饰符 输入”长”数据
h 长度修饰符 输入”短”数据
W 整型常数 指定输入数据所占宽度
* 星号 空读一个数据
hh,ll同上h,l但仅对C99有效。

（B） 空白字符
空白字符会使scanf()函数在读操作中略去输入中的一个或多个空白字符，空白符可以是space,tab,newline等等，直到第一个非空白符出现为止。
（C） 非空白字符
一个非空白字符会使scanf()函数在读入时剔除掉与这个非空白字符相同的字符

1 什么是malloc
　　在实现malloc之前，先要相对正式地对malloc做一个定义。
　　根据标准C库函数的定义，malloc具有如下原型：
void* malloc(size_t size);
　　这个函数要实现的功能是在系统中分配一段连续的可用的内存，具体有如下要求：
malloc分配的内存大小至少为size参数所指定的字节数
malloc的返回值是一个指针，指向一段可用内存的起始地址
多次调用malloc所分配的地址不能有重叠部分，除非某次malloc所分配的地址被释放掉
malloc应该尽快完成内存分配并返回（不能使用NP-hard的内存分配算法）
实现malloc时应同时实现内存大小调整和内存释放函数（即realloc和free）
　　对于malloc更多的说明可以在命令行中键入以下命令查看：
man malloc
　　2 预备知识
　　在实现malloc之前，需要先解释一些Linux系统内存相关的知识。
　　2.1 Linux内存管理
　　2.1.1 虚拟内存地址与物理内存地址
　　为了简单，现代操作系统在处理内存地址时，普遍采用虚拟内存地址技术。即在汇编程序（或机器语言）层面，当涉及内存地址时，都是使用虚拟内存地址。采用这种技术时，每个进程仿佛自己独享一片2N字节的内存，其中N是机器位数。例如在64位CPU和64位操作系统下，每个进程的虚拟地址空间为264Byte。
　　这种虚拟地址空间的作用主要是简化程序的编写及方便操作系统对进程间内存的隔离管理，真实中的进程不太可能（也用不到）如此大的内存空间，实际能用到的内存取决于物理内存大小。
　　由于在机器语言层面都是采用虚拟地址，当实际的机器码程序涉及到内存操作时，需要根据当前进程运行的实际上下文将虚拟地址转换为物理内存地址，才能实现对真实内存数据的操作。这个转换一般由一个叫MMU（Memory Management Unit）的硬件完成。
　　2.1.2 页与地址构成
　　在现代操作系统中，不论是虚拟内存还是物理内存，都不是以字节为单位进行管理的，而是以页（Page）为单位。一个内存页是一段固定大小的连续内存地址的总称，具体到Linux中，典型的内存页大小为4096Byte（4K）。
　　所以内存地址可以分为页号和页内偏移量。下面以64位机器，4G物理内存，4K页大小为例，虚拟内存地址和物理内存地址的组成如下：
内存地址构成
　　上面是虚拟内存地址，下面是物理内存地址。由于页大小都是4K，所以页内便宜都是用低12位表示，而剩下的高地址表示页号。
　　MMU映射单位并不是字节，而是页，这个映射通过查一个常驻内存的数据结构页表来实现。现在计算机具体的内存地址映射比较复杂，为了加快速度会引入一系列缓存和优化，例如TLB等机制。下面给出一个经过简化的内存地址翻译示意图，虽然经过了简化，但是基本原理与现代计算机真实的情况的一致的。
内存地址翻译
　　2.1.3 内存页与磁盘页
　　我们知道一般将内存看做磁盘的的缓存，有时MMU在工作时，会发现页表表明某个内存页不在物理内存中，此时会触发一个缺页异常（Page Fault），此时系统会到磁盘中相应的地方将磁盘页载入到内存中，然后重新执行由于缺页而失败的机器指令。关于这部分，因为可以看做对malloc实现是透明的，所以不再详细讲述，有兴趣的可以参考《深入理解计算机系统》相关章节。
　　最后附上一张在维基百科找到的更加符合真实地址翻译的流程供大家参考，这张图加入了TLB和缺页异常的流程（图片来源页）。
较为完整的地址翻译流程
　　2.2 Linux进程级内存管理
　　2.2.1 内存排布
　　明白了虚拟内存和物理内存的关系及相关的映射机制，下面看一下具体在一个进程内是如何排布内存的。
　　以Linux 64位系统为例。理论上，64bit内存地址可用空间为0x0000000000000000 ~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF，这是个相当庞大的空间，Linux实际上只用了其中一小部分（256T）。
　　根据Linux内核相关文档描述，Linux64位操作系统仅使用低47位，高17位做扩展（只能是全0或全1）。所以，实际用到的地址为空间为0x0000000000000000 ~ 0x00007FFFFFFFFFFF和0xFFFF800000000000 ~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF，其中前面为用户空间（User Space），后者为内核空间（Kernel Space）。图示如下：
Linux进程地址排布
　　对用户来说，主要关注的空间是User Space。将User Space放大后，可以看到里面主要分为如下几段：
Code：这是整个用户空间的最低地址部分，存放的是指令（也就是程序所编译成的可执行机器码）
Data：这里存放的是初始化过的全局变量
BSS：这里存放的是未初始化的全局变量
Heap：堆，这是我们本文重点关注的地方，堆自低地址向高地址增长，后面要讲到的brk相关的系统调用就是从这里分配内存
Mapping Area：这里是与mmap系统调用相关的区域。大多数实际的malloc实现会考虑通过mmap分配较大块的内存区域，本文不讨论这种情况。这个区域自高地址向低地址增长
Stack：这是栈区域，自高地址向低地址增长
　　下面我们主要关注Heap区域的操作。对整个Linux内存排布有兴趣的同学可以参考其它资料。
　　2.2.2 Heap内存模型
　　一般来说，malloc所申请的内存主要从Heap区域分配（本文不考虑通过mmap申请大块内存的情况）。
　　由上文知道，进程所面对的虚拟内存地址空间，只有按页映射到物理内存地址，才能真正使用。受物理存储容量限制，整个堆虚拟内存空间不可能全部映射到实际的物理内存。Linux对堆的管理示意如下：
Linux进程堆管理
　　Linux维护一个break指针，这个指针指向堆空间的某个地址。从堆起始地址到break之间的地址空间为映射好的，可以供进程访问；而从break往上，是未映射的地址空间，如果访问这段空间则程序会报错。

堆栈区（stack）：由编译器自动分配与释放，存放函数的参数值，局部变量，临时变量等等，它们获取的方式都是由编译器自动执行的
堆区（heap）：一般由程序员分配与释放，基程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收（C/C++没有此等回收机制，Java/C#有），注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
全局区（静态区）（static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块儿的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。
文字常量区：常量字符串是放在这里的，程序结束后由系统释放。
程序代码区：存放函数体的二进制代码。
C 标准函数库提供了许多函数来实现对堆上内存管理，其中包括：malloc函数，free函数，calloc函数和realloc函数。使用这些函数需要包含头文件stdlib.h。它们的声明如下：

void * malloc(int n);
void free (void * p);
void *calloc(int n,int size);
void * realloc(void * p,int n);
1. malloc函数

malloc函数可以从堆上获得指定字节的内存空间，其函数声明如下：

void * malloc(int n);

其中，形参n为要求分配的字节数。如果函数执行成功，malloc返回获得内存空间的首地址；如果函数执行失败，那么返回值为NULL。由于 malloc函数值的类型为void型指针，因此，可以将其值类型转换后赋给任意类型指针，这样就可以通过操作该类型指针来操作从堆上获得的内存空间。

 需要注意的是,malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。因此，一般在使用该内存空间时，要调用另一个函数memset来将其初始化为全0。memset函数的声明如下：


void * memset (void * p,int c,int n) ;


   该函数可以将指定的内存空间按字节单位置为指定的字符c。其中，p为要清零的内存空间的首地址，c为要设定的值，n为被操作的内存空间的字节长度。如果要用memset清0，变量c实参要为0。malloc函数和memset函数的操作语句一般如下：

int * p=NULL;

p=(int *)malloc(sizeof(int));

if(p==NULL)

printf(“Can’t get memory!\n”);

memset(p,0,siezeof(int));

注意：通过malloc函数得到的堆内存必须使用memset函数来初始化。

示例代码：

1. free函数

   从堆上获得的内存空间在程序结束以后，系统不会将其自动释放，需要程序员来自己管理。一个程序结束时，必须保证所有从堆上获得的内存空间已被安全释放，否则，会导致内存泄露。例如上面的demo就会发生内存泄露。

free函数可以实现释放内存的功能。其函数声明为：

void free (void * p);

由于形参为void指针，free函数可以接受任意类型的指针实参。


但是，free函数只是释放指针指向的内容，而该指针仍然指向原来指向的地方，此时，指针为野指针，如果此时操作该指针会导致不可预期的错误。安全做法是：在使用free函数释放指针指向的空间之后，将指针的值置为NULL。因此，对于上面的demo，需要在return

语句前加入以下两行语句：

free(p);

p=NULL;

注意：使用malloc函数分配的堆空间在程序结束之前必须释放。

1. calloc函数

calloc函数的功能与malloc函数的功能相似，都是从堆分配内存。其函数声明如下：

void *calloc(int n,int size);

函数返回值为void型指针。如果执行成功，函数从堆上获得size X n的字节空间，并返回该空间的首地址。如果执行失败，函数返回NULL。该函数与malloc函数的一个显著不同时是，calloc函数得到的内存空间是经过初始化的，其内容全为0。calloc函数适合为数组申请空间，可以将size设置为数组元素的空间长度，将n设置为数组的容量。

示例代码

提示：calloc函数的分配的内存也需要自行释放。

1. realloc函数

realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数的功能更为丰富，可以实现内存分配和内存释放的功能，其函数声明如下：

void * realloc(void * p,int n);

其中，指针p必须为指向堆内存空间的指针，即由malloc函数、calloc函数或realloc函数分配空间的指针。realloc函数将指针 p指向的内存块的大小改变为n字节。如果n小于或等于p之前指向的空间大小，那么。保持原有状态不变。如果n大于原来p之前指向的空间大小，那么，系统将重新为p从堆上分配一块大小为n的内存空间，同时，将原来指向空间的内容依次复制到新的内存空间上，p之前指向的空间被释放。relloc函数分配的空间也是未初始化的。

注意：使用malloc函数，calloc函数和realloc函数分配的内存空间都要使用free函数或指针参数为NULL的realloc函数来释放。

示例代码：

注意：如果要使用realloc函数分配的内存，必须使用memset函数对其内存初始化

下面要注意的几点是：

函数malloc（）和calloc（）都可以用来动态分配内存空间。 malloc（）函数有一个参数，即分配的内存空间的大小，malloc在分配内存的时候会保留一定的空间用来记录分配情况，分配的次数越多，这些记录占用的空间就越多。另外，根据malloc实现策略的不同，malloc每次在分配的时候，可能分配的空间比实际要求的多些，多次分配会导致更多的这种浪费，当然，这些都跟malloc的实现有关； calloc（）函数有两个参数，分别为元素的个数和每个元素的大小，这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小。如果调用成功，它们都将返回所分配内存空间的首地址。
函数malloc（）和calloc（）的主要区别是前者不能初始化所分配的内存空间，而后者可以。
relloc（）可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或者缩小，原有内存中的内容将保持不变。当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失。
relloc（）并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址，相反，relloc返回的指针很可能指向一个新地址。所以在代码中，我们必须将relloc的返回值，重新赋值给p ： p=(int *) relloc (p,sizeof(int)*15);

malloc()和calloc()区别 以及memset() (2009-09-18 17:08:29)转载▼
标签： 杂谈
进程对动态内存的请求被认为是不紧迫的。例如，当进程的可执行文件被装入时，进程并不一定立即对所有的代码进行访问。类似地，当进程调用malloc() 请求动态内存时，并不意味着进程很快就会访问所有获得的内存。因此一般来说，内核总是尽量推迟给用户态进程动态分配内存。

malloc()

malloc()函数用来分配内存：将总共需要的字节数作为参数传递给该函数，返回值是指向最新分配的内存的指针，而如果内存没有分配好，则返回值是NULL。

malloc()的使用技术：
some_type *pointer;
pointer = malloc(count * sizeof(*pointer));

注：
(1) 这个方法保证malloc()会分配正确数量的内存，而不用考虑pointer的生命。如果pointer的类型后来变了，sizeof算子自动确保要分配的字节数仍然正确。
(2) malloc()返回的内存是“没有“初始化的。这块内存可能包含任何随机的垃圾，你可以马上用有效数据或者至少是用零来初始化这块内存。要用0初始化，可以用
void *memset(void *s, int c, size_t n);
(3) malloc()最终通过缺页异常获取的物理内存中的原有数据，大多数情况下是0(但不能保证一定是0)

calloc()

calloc()函数是malloc的简单包装。它的主要优点是把动态分配的内存清零。
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
用经验的程序员更喜欢使用calloc()，因为这样的话新分配内存的内容就不会有什么问题，调用calloc()肯定会清0，并且可以避免调用memset().

memset
　　功 能: 将s所指向的某一块内存中的每个字节的内容全部设置为ch指定的ASCII值,
　　块的大小由第三个参数指定,这个函数通常为新申请的内存做初始化工作
　　用 法: void *memset(void *s, char ch, unsigned n);
　　程序例:
　　#include