C语言中的内存管理与双向链表
【@.1 简介】
数据结构与内存管理是不可分割的，特别是在C语言中，对于指针的处理必须非常小心。通常我们在用动态内存分配时会调用malloc()函数为指针分配内存，但是在嵌入式编程时我并不喜欢使用malloc系列函数，宁可自己建立一个数组，需要使用时从数组里面分配空间。我曾经的博客《uCOS-II中的内存管理--C语言构建完整的微型动态内存管理机制》一文中介绍了在uCOS中的动态内存管理机制，那种方法的确十分好用，而且实际上我们也经常这样用。现在考虑自己构建一个简单的内存管理，主要用于对链表进行内存分配。下面循序渐进地介绍了几种方法来实现设计双向链表时的内存分配。
【方法一：简单的数组】
最简单的方法就是在全局声明一个数组，将所有链表所需涉及到的内存分配全部放在这里面。这种方法并没有深化到内存管理的地步，没有内存回收、内存分配的完整机制，仅仅是简单的将双向链表与数组链接在一起，可以实现比较初级的功能.
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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> void memclr(unsigned char* pdest, int size){ while(size>0){ *pdest++=(unsigned char)0; size--; } } #define MAX_SIZE 10 typedef struct { void* previous; void* next; int value; }A_Type; static A_Type array[MAX_SIZE]; void Init_Q(void* start, int size){ A_Type* ptr1, *ptr2; memclr((unsigned char*)start,sizeof(A_Type)*size); ptr1 = (A_Type*)start; ptr2 = ptr1+1; while(size>1){ ptr1->next = ptr2; ptr2->previous = ptr1; ptr1++; ptr2++; size--; } } int main(void) { A_Type *ptr; Init_Q(array,MAX_SIZE); ptr = &array[0]; while(ptr != (void*)0){ printf("%d, ",ptr->value); ptr=(A_Type*)ptr->next; } ptr = &array[5]; printf("\n"); while(ptr != (void*)0){ printf("%d, ",ptr->value); ptr = (A_Type*)ptr->previous; } return EXIT_SUCCESS; }
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【方法二：使用malloc动态分配内存】
这种方法是很多人比较喜欢用的。虽然我并不喜欢用它，但是还是写了些这种方法。最大的好处就是，没有了全局变量，可以让程序变得很干净。所有链表中需要用到的内存都是动态分配申请的。
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#include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef struct{ void * previous; void * next; int value; }List_Type; void MemClr(unsigned char * pdest, int size){ while(size>0){ *pdest++ = (unsigned char)0; size--; } } void Add_Node(List_Type * preNode, int newValue){ List_Type * newNode = (List_Type*)malloc(sizeof(List_Type)); List_Type * nextNode ; if(preNode == (void*)0) return ; nextNode = (List_Type*)preNode->next; MemClr((unsigned char*)newNode, sizeof(List_Type)); newNode->value = newValue; preNode->next = newNode; newNode->previous = preNode; newNode->next = nextNode; if(nextNode != (void*)0) //if Not the end of the list nextNode->previous = newNode; //free(newNode); NEVER, EVER free this pointer!!! } List_Type * CreateList_Add(int nodeNum){ List_Type * entry = (List_Type*)malloc(sizeof(List_Type)); List_Type * ptr1; ptr1 = entry; MemClr((unsigned char*)entry,sizeof(List_Type)); while(nodeNum>1){ Add_Node(ptr1, 0); ptr1 = (List_Type*)ptr1->next; nodeNum--; } return entry; } List_Type * FindIndex_Front(List_Type *entry, int index_f){ List_Type * ptr = entry; while(index_f>0){ ptr = (List_Type* )ptr->next; if(ptr == (void*)0) return (void*)0; //index_f overflow index_f--; } return ptr; } void Print_ToEnd(List_Type * ptr){ while(ptr != (void*)0){ printf("%d, ",ptr->value); ptr = (List_Type*)ptr->next; } } void Print_ToStart(List_Type * ptr){ while(ptr != (void*)0){ printf("%d, ", ptr->value); ptr = (List_Type*)ptr->previous; } } int main(void) { List_Type *pList = CreateList_Add(10); List_Type *ptr = pList; Print_ToEnd(ptr); printf("\n"); ptr = FindIndex_Front(pList, 4); Print_ToStart(ptr); printf("\n"); ptr = FindIndex_Front(pList, 7); Add_Node(ptr,3); Print_ToEnd(ptr); printf("\n"); return EXIT_SUCCESS; }
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【方法三：自己搭建一个内存管理机制进行“动态”分配】
最后一种也是我比较喜欢的一种方法，即，使用内存管理的思想对链表进行插入，删除操作。这样的最大好处就是，所有使用的内存都是程序中自己动手建立的，方便自己估计程序大小.
/* ============================================================================ Name : Pieta_C_03.c Author : apollius Version : Copyright : Your copyright notice Description : Hello World in C, Ansi-style ============================================================================ */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MAX_PARTIONS 100u typedef struct{ void * previous; void * next; int value; }List_Type; List_Type ListPartion[MAX_PARTIONS]; List_Type *pFreeList; unsigned int FreeNum; void MemClr(unsigned char * pdest, int size){ while(size>0){ *pdest++ = (unsigned char)0; size--; } } List_Type * ListNode_Malloc(){ List_Type* ptr; if(pFreeList != (List_Type *)0){ ptr = pFreeList; //MemClr((unsigned char*)ptr,sizeof(ptr)); //You Can NOT do clear here, or will lost Free list information FreeNum--; pFreeList=(List_Type*)pFreeList->next; //To the next node in ListPartion[MAX_PARTIONS] ptr->next = (void*)0; pFreeList->previous = (void*)0; } else ptr = (List_Type *)0; return ptr; } void ListNode_Free(List_Type * node){ if(node != (List_Type*)0){ FreeNum++; node->next = pFreeList; node->previous = (void*)0; pFreeList->previous = node; pFreeList = (List_Type*)pFreeList->previous; } } void ListInit(){ List_Type *ptr1, *ptr2; int i; MemClr((unsigned char*)&ListPartion[0], sizeof(ListPartion)); ptr1 = &ListPartion[0]; ptr2 = &ListPartion[1]; for (i=0;i<MAX_PARTIONS-1;i++){ ptr1->next = ptr2; ptr2->previous = ptr1; ptr1++; ptr2++; } pFreeList = &ListPartion[0]; FreeNum = MAX_PARTIONS; // pListPar->pList = &ListPartion[0]; // pListPar->pFreeNode = pListPar->pList; printf("ListInit Success!\n"); } void Add_Node(List_Type * preNode, int newValue){ List_Type * newNode ; List_Type * nextNode ; if(preNode == (void*)0) return ; newNode = ListNode_Malloc(); nextNode = (List_Type*)preNode ->next; MemClr((unsigned char*)newNode, sizeof(List_Type)); //Explicit clear memory newNode->value = newValue; preNode->next = newNode; newNode->previous = preNode; newNode->next = nextNode; if(nextNode != (void*)0) //if Not the end of the list nextNode->previous = newNode; } void Delete_Node(List_Type *pNode){ List_Type * preNode; List_Type * nextNode; if(pNode == (List_Type*)0) return; preNode = (List_Type*)pNode->previous; nextNode = (List_Type*)pNode -> next; if(preNode != (List_Type*)0){ preNode->next = nextNode; } if(nextNode != (List_Type*)0){ nextNode->previous = preNode; } ListNode_Free(pNode); } List_Type * CreateList_Add(int nodeNum){ List_Type * entry; List_Type * ptr1; entry = ListNode_Malloc(); ptr1 = entry; MemClr((unsigned char*)entry,sizeof(List_Type)); while(nodeNum>1){ Add_Node(ptr1, 1); if(ptr1 == (List_Type*)0) //The List Partion is full { entry = (List_Type*)0; //Create fail, will return a NULL pointer break; } ptr1 = (List_Type*)ptr1->next; nodeNum--; } return entry; } List_Type * FindIndex_Front(List_Type *entry, int index_f){ List_Type * ptr = entry; while(index_f>0){ ptr = (List_Type* )ptr->next; if(ptr == (void*)0) return (void*)0; //index_f overflow index_f--; } return ptr; } void Print_ToEnd(List_Type * ptr){ while(ptr != (void*)0){ printf("%d, ",ptr->value); ptr = (List_Type*)ptr->next; } } void Print_ToStart(List_Type * ptr){ while(ptr != (void*)0){ printf("%d, ", ptr->value); ptr = (List_Type*)ptr->previous; } } int main(void) { List_Type *pList; List_Type *ptr; //initialte List Partion ListInit(); pList = CreateList_Add(10); ptr = pList; Print_ToEnd(ptr); printf("\n"); ptr = FindIndex_Front(pList, 4); Print_ToStart(ptr); printf("\n"); ptr = FindIndex_Front(pList, 7); Add_Node(ptr,3); Print_ToEnd(pList); printf("\n"); printf("FreeNumber: %d\n",FreeNum); ptr = FindIndex_Front(pList, 0); pList++; //If you want delete the first note, you must move the pList to the next one. Delete_Node(ptr); Print_ToEnd(pList); printf("\n"); printf("FreeNumber: %d\n",FreeNum); ptr = FindIndex_Front(pList,7); Delete_Node(ptr); Print_ToEnd(pList); printf("\n"); printf("FreeNumber: %d\n",FreeNum); ptr = FindIndex_Front(pList,8); Add_Node(ptr,89); Print_ToEnd(pList); printf("\n"); printf("FreeNumber: %d\n",FreeNum); return EXIT_SUCCESS; }
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最后这种方法虽然很原始，但可以将内存管理部分单独剥离开，可以看做是一个通用的数据结构内存处理机制，特别适合在嵌入式编程中用这种方法编写自己的一个链表、FIFO队列等等。C语言中的指针处理必须得小心翼翼，但是一旦这一关能过，之后就可以将很多上层软件中所运用的编程思想用在C语言中，使自己的程序写得更灵活。