C语言学习笔记--递归、可变参数及内存管理

递归

递归指的是在函数的定义中使用函数自身的方法。

    举个例子：
    从前有座山，山里有座庙，庙里有个老和尚，正在给小和尚讲故事呢！故事是什么呢？
    "从前有座山，山里有座庙，庙里有个老和尚，正在给小和尚讲故事呢！故事是什么呢？
    '从前有座山，山里有座庙，庙里有个老和尚，正在给小和尚讲故事呢！故事是什么呢？……'"

语法格式如下：

void recursion()
{
   statements;
   ... ... ...
   recursion(); /* 函数调用自身 */
   ... ... ...
}
 
int main()
{
   recursion();
}

流程图：

C语言支持递归，即一个函数可以调用其自身。但在使用递归时，程序员需要注意定义一个从函数退出的条件，否则会进入死循环。
递归函数在解决许多数学问题上起到至关重要的作用，比如计算一个数的阶乘、生成斐波那契数列、等等。

数的阶乘

下面的实例使用递归函数计算一个给定的数的阶乘：
实例：

#include 
 
double factorial(unsigned int i)
{
   if(i <= 1)
   {
      return 1;
   }
   return i * factorial(i - 1);
}
int  main()
{
    int i = 15;
    printf("%d 的阶乘为 %f\n", i, factorial(i));
    return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时，会产生下列结果：

15 的阶乘为 1307674368000.000000

斐波那契数列

下面的实例使用递归函数生成一个给定的数的斐波那契数列：

#include 
 
int fibonaci(int i)
{
   if(i == 0)
   {
      return 0;
   }
   if(i == 1)
   {
      return 1;
   }
   return fibonaci(i-1) + fibonaci(i-2);
}
 
int  main()
{
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
       printf("%d\t\n", fibonaci(i));
    }
    return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时，会产生下列结果：

0    
1    
1    
2    
3    
5    
8    
13    
21    
34

可变参数

有时，可能会遇到这样的问题，你希望函数带有可变数量的参数，而不是与定义数量的参数。C语言为这种情况提供了一个解决方案，它允许你定义一个函数，能根据具体的需求接受可变数量的参数。下面的实例演示了这种函数的定义。

int func(int, ... ) 
{
   .
   .
   .
}
 
int main()
{
   func(2, 2, 3);
   func(3, 2, 3, 4);
}

注意，函数func() 最后一个参数写成省略号，即三个点号(…),省略号之前的那个参数时int，代表了要传递的可变参数的总数。为了使用这个功能，你需要使用stdarg.h头文件，该文件提供了实现可变参数功能的函数和宏。具体步骤如下：

• 定义一个函数，最后一个参数为省略号，省略号前面可以设置自定义参数。
• 在函数定义中创建一个va_list类型变量，该类型是在stdarg.h头文件中定义的。
• 使用int参数和va_list宏来初始化va_list变量为一个参数列表。宏va_list是在stdarg.h头文件中定义的。
• 使用va_arg宏和va_list变量来访问参数列表中的每个项。
• 使用宏va_end来清理赋予va_list变量的内存。
  现在按照上面的步骤，来编写一个带有可变数量参数的函数，并返回它们的平均值：

#include 
#include 
 
double average(int num,...)
{
 
    va_list valist;
    double sum = 0.0;
    int i;
 
    /* 为 num 个参数初始化 valist */
    va_start(valist, num);
 
    /* 访问所有赋给 valist 的参数 */
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
       sum += va_arg(valist, int);
    }
    /* 清理为 valist 保留的内存 */
    va_end(valist);
 
    return sum/num;
}
 
int main()
{
   printf("Average of 2, 3, 4, 5 = %f\n", average(4, 2,3,4,5));
   printf("Average of 5, 10, 15 = %f\n", average(3, 5,10,15));
}

当上面的代码被编译和执行时，会产生下列结果。应该指出的是，函数 average() 被调用了两次，每次第一个参数都是表示被传的可变参数的总数。省略号被用来传递可变数量的参数。

Average of 2, 3, 4, 5 = 3.500000
Average of 5, 10, 15 = 10.000000

例如：

#include 

void debug_arg(unsigned int num, ...) 
{
    unsigned int i = 0;
    unsigned int *addr = #
    for (i = 0; i <= num; i++) 
    {
        /* *(addr + i) 从左往右依次取出传递进来的参数,类似于出栈过程 */
        printf("i=%d,value=%d\r\n", i, *(addr + i));
    }
}
int main(void)
{
    debug_arg(3, 66, 88, 666);
    return 0;
}

可变参数的工作原理：

1. 函数参数的传递存储在栈中，从右至左压入栈中，压栈过程为递减。
2. 参数的传递以4字节对齐原则。
   C 函数要在程序中用到以下这些宏:

void va_start( va_list arg_ptr, prev_param ); 
type va_arg( va_list arg_ptr, type ); 
void va_end( va_list arg_ptr );

va_list: 用来保存宏va_start、va_arg和va_end所需信息的一种类型。为了访问变长参数列表中的参数，必须声明 va_list 类型的一个对象，定义： typedef char * va_list;
va_start: 访问变长参数列表中的参数之前使用的宏，它初始化用 va_list 声明的对象，初始化结果供宏 va_arg 和 va_end 使用；
va_arg: 展开成一个表达式的宏，该表达式具有变长参数列表中下一个参数的值和类型。每次调用 va_arg 都会修改用 va_list 声明的对象，从而使该对象指向参数列表中的下一个参数；
va_end: 该宏使程序能够从变长参数列表用宏 va_start 引用的函数中正常返回。
va 在这里是 variable-argument(可变参数) 的意思。
这些宏定义在 stdarg.h 中，所以用到可变参数的程序应该包含这个头文件。
下面我们写一个简单的可变参数的函数，改函数至少有一个整数参数，第二个参数也是整数，是可选的。函数只是打印这两个参数的值。

#include ;  
#include ;  
#include ;  

/* ANSI标准形式的声明方式，括号内的省略号表示可选参数 */  
int demo(char *msg, ... )  
{  
    va_list argp;                    /* 定义保存函数参数的结构 */  
    int argno = 0;                    /* 纪录参数个数 */  
    char *para;                        /* 存放取出的字符串参数 */                                      
    va_start( argp, msg );          /* argp指向传入的第一个可选参数，      msg是最后一个确定的参数 */  
    
    while (1) 
    {  
        para = va_arg( argp, char *);                 /*      取出当前的参数，类型为char *. */  
        if ( strcmp( para, "/0") == 0 )  
                                                      /* 采用空串指示参数输入结束 */  
            break;  
        printf("Parameter #%d is: %s/n", argno, para);  
        argno++;  
    }  
    va_end( argp );                                   /* 将argp置为NULL */  
    return 0;  
}

int main( void )  
{  
    demo("DEMO", "This", "is", "a", "demo!" ,"333333", "/0");  
}    

从这个函数的实现可以看到,我们使用可变参数应该有以下步骤:

1. 首先在函数里定义一个 va_list 型的变量,这里是 arg_ptr，这个变量是指向参数的指针。
2. 然后用 va_start 宏初始化变量 arg_ptr，这个宏的第二个参数是第一个可变参数的前一个参数，是一个固定的参数。
3. 然后用 va_arg 返回可变的参数，并赋值给整数 j。va_arg 的第二个参数是你要返回的参数的类型，这里是int型。
4. 最后用 va_end 宏结束可变参数的获取。然后你就可以在函数里使用第二个参数了。如果函数有多个可变参数的，依次调用 va_arg 获取各个参数。

内存管理

本次讲解C语言中的动态内存管理。C语言为内存的分配和管理提供了几个函数。这些函数可以在 头文件中找到。

序号	函数	描述
1	void * calloc(int num,int size);	在内存中动态地分配num个长度为size的连续空间，并将每一个字节都初始化为0.所以它的结果是分配了num* size个字节长度的内存空间，并且每个字节的值都是0。
2	void free(void * address);	该函数释放address所指向的内存块，释放的是动态分配的内存空间。
3	void * malloc(int num);	在堆区分配一块指定大小的内存空间，用来只存放数据，这块内存空间在函数内执行完成后不会被初始化，它们的值是未知的。
4	void * realloc(void * address,int newsize);	该函数重新分配内存，把内存扩展到newsize

注意： void *类型表示未确定类型的指针。C、C++规定void * 类型可以通过类型转换强制转换为任何其他类型的指针。

动态分配内存

编程时，如果预先知道数组的大小，那么定义数组是就比较容易。例如，一个存储人名的数组，它最多容纳100个字符，所以你可以定义数组，如下所示：

char name[100];

但是，如果你预先不知道需要存储的文本长度，例如你想存储有关一个主题的详细描述。在这里，我们需要定义一个指针，该指针指向未定义所需内存大小的字符，后续再根据需求来分配内存，如下所示：

#include 
#include 
#include 
 
int main()
{
   char name[100];
   char *description;
 
   strcpy(name, "Zara Ali");
 
   /* 动态分配内存 */
   description = (char *)malloc( 200 * sizeof(char) );
   if( description == NULL )
   {
      fprintf(stderr, "Error - unable to allocate required memory\n");
   }
   else
   {
      strcpy( description, "Zara ali a DPS student in class 10th");
   }
   printf("Name = %s\n", name );
   printf("Description: %s\n", description );
}

当上面代码被编译和执行时，会产生下列结果：

Name = Zara Ali
Description: Zara ali a DPS student in class 10th

上面的程序也可以使用calloc() 来编写，只需要把malloc替换为calloc即可，如下所示：

calloc(200, sizeof(char));

当动态分配内存时，有完全控制权，可以传递任何大小的值。而那些预先定义了大小的数组，一旦定义则无法改变大小。

重新调整内存大小和释放内存

当程序退出时，操作系统会自动释放所有分配给程序的内存，但是，建议在不需要内存时，都应该调用函数free() 来释放内存。
或者，可以通过调用函数realloc() 来增加或减少已分配的内存块的大小。让我们使用realloc()和free()函数。
实例：

#include 
#include 
#include 
 
int main()
{
   char name[100];
   char *description;
 
   strcpy(name, "Zara Ali");
 
   /* 动态分配内存 */
   description = (char *)malloc( 30 * sizeof(char) );
   if( description == NULL )
   {
      fprintf(stderr, "Error - unable to allocate required memory\n");
   }
   else
   {
      strcpy( description, "Zara ali a DPS student.");
   }
   /* 假设您想要存储更大的描述信息 */
   description = (char *) realloc( description, 100 * sizeof(char) );
   if( description == NULL )
   {
      fprintf(stderr, "Error - unable to allocate required memory\n");
   }
   else
   {
      strcat( description, "She is in class 10th");
   }
   
   printf("Name = %s\n", name );
   printf("Description: %s\n", description );
 
   /* 使用 free() 函数释放内存 */
   free(description);
}

当上面的代码被编译和执行时，会产生下列结果：

Name = Zara Ali
Description: Zara ali a DPS student.She is in class 10th

可以尝试一下不重新分配额外的内存，strcat()函数会生成一个错误，因为存储description时可用的内存不足。