C 语言的函数 - 内存分析

函数基本概念

Linux 中，函数在内存的代码段（code 区），地址比较靠前。

函数定义

C 语言中，函数有三个要素：入参、返回值、函数名，缺一不可。函数使用前必须先声明，或者在使用之前定义。

函数声明格式如下：

int test(int a, char *p);

函数定义格式如下：

int test(int a, char *p)
{
	// 干点啥
	return 666;
}

函数调用

char c = 'a';
int result;
result = fun(666, &c);

函数的形参和实参，值传递和引用传递

函数定义时，为了用参数进行操作，为参数预留的占位符就是形参。

函数调用时，调用方传到函数中的真实参数就是实参。

函数调用时，传递的是参数的值（实际上就是复制一份内存），而非参数的地址。值传递时，形参的所有改动，都不会影响实参。值传递和引用传递的区别：

• 值传递会在内存中开辟新空间，复制实参的数据，作为函数的形参。而引用传递则直接把实参的地址传到函数中
• 值传递时，形参的修改不影响实参。引用传递因为实参和形参都是指针，且指向同一块内存空间，任何改动都会相互影响。

值传递示例：

#include <stdio.h>

int swap(int a, int b)
{
	int tmp;
	tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 666;
	printf("before swap, a is: %d, b is: %d\n", a, b);
	swap(a, b);
	printf("after swap, a is: %d, b is: %d\n", a, b);
	return 0;
}

输出：

before swap, a is: 1, b is: 666
after swap, a is: 1, b is: 666

如果要想在调用的函数中修改参数，就必须传参数的地址过去，类似上面的函数可以改为引用传递：

#include <stdio.h>

int swap(int *a, int *b)
{
	int tmp;
	tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 666;
	printf("before swap, a is: %d, b is: %d\n", a, b);
	swap(&a, &b); // 这里需要传地址
	printf("after swap, a is: %d, b is: %d\n", a, b);
	return 0;
}

引用传递可以改变原参数，输出：

before swap, a is: 1, b is: 666
after swap, a is: 666, b is: 1

函数的入参

因为值传递时，需要为实参多开辟一份内存，所以在函数参数占用空间较大时（例如数组、结构体），通常使用引用传递。

连续空间

结构体

对于下面的结构体，通常用引用传递，而不是值传递：

#include <stdio.h>

struct People {
	int age;
	char * name;
};

void fun2(struct People p) {
	printf("people's name is:%s, age is: %d\n", p.name, p.age);
}
void fun(struct People *p) {
	printf("people's name is:%s, age is: %d\n", p->name, p->age);
}

int main()
{
	struct People p1 = {22, "jack"};
	fun(&p1); // 推荐
	fun2(p1);
}

数组

C 语言中，用数组做函数的参数时要注意，因为数组名本身就是个表示地址的标签，所以实参是数组时，实际上就是引用传递：

int arr[10];

int fun(int *p) {}

连续空间只读性

引用传递时，如果只是想节省内存空间，而不想让调用的函数修改该空间；或者会传递常量指针给函数。这两种情况下，都需要明确把函数声明中的指针用 const 描述。

编译通过，运行时段错误示例：

#include <stdio.h>

void fun(char * p)
{
	p[0] = 'x'; // 因为传过来的是字符串常量，这里的修改会报 段错误 segmentation fault
}
int main()
{
	fun("hello");
	return 0;
}

只读参数限定示例：

#include <stdio.h>

void fun(const char * p)
{
	p[0] = 'x'; // 因为参数限定为 const，函数内不可修改，否则编译会报错
}
int main()
{
	fun("hello");
	return 0;
}

sprintf 示例

printf 将格式化字符串打印到标准输出流，而 sprintf 则将格式化字符串输出到变量中，这几个函数及定义可以通过 man 3 sprintf 查看：

       int printf(const char *format, ...);
       int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
       int sprintf(char *str, const char *format, ...);
       int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 666;
    char * str;
    printf("a is: %d\n", a);
    sprintf(str, "a is: %d\n", a);
    printf("str is: %s", str);
}

输出：

a is: 666
str is: a is: 666

字符空间

任何内存空间，在操作之前都需要知道两个要素：首地址、结束标志（或字节个数）。

字符空间是以 \0 （0x0000 0000）结束的连续内存空间。\0 这个字符不会出现在字符空间，但是可能出现在非字符空间。字符空间有两种限定方式：

• const char *p：常量，不可修改，例如字符串常量。通常用双引号初始化 "..."。
• char *p：变量，允许修改，例如字符数组。通常用字符数组初始化 char buf[5]。

void fun(char *p)
{
	int i = 0;
	while(p[i] != '\0') // 这里也可以直接用  while(p[i])
	{
		//干点啥
		i++;
	}
}

strlen 示例

strlen 函数用于统计字符空间中字符的个数，函数语义如下：

int strlen(const char * str);

可以自己实现一个 strlen：

int mystrlen (const char *p) {
	// 错误处理
	if (p == NULL) return 0;
	// 内存处理
	int i = 0;
	while(p[i])
	{
		i++;
	}
	return i;
}

strcpy 示例

strcpy 用于拷贝字符，函数语义如下：

void strcpy(char * dest, const char *src);

可见 strcpy 函数的源字符串限定为 const char * 类型，不可修改。

非字符空间

字符空间固定以 \0 结束，相反，非字符空间没有结束标志，所以在操作的时候，需要另外一个参数：字节数。非字符空间也有两种定义方式：

• unsigned char * p：非字符空间，可以读写。
• const unsigned char * p：非字符空间，只读。

非字符空间示例

非字符空间的函数需要两个参数：空间首地址，空间大小，例如：

void fun(unsigned char *p, int size)
{
	int i;
	for (i = 0; i < size; i++)
	{
		// 针对当前字节 p[i] 进行读写操作，然后 i 自增
	}
}

void * 形参化指针参数

定义非字符空间处理函数时，总是想做的尽可能通用，一般就是逐个字节处理。但是调用处理函数的地方可能需要传入各种类型的指针（int、long、struct 等）。C++ 中有模板类，而 C 语言针对这种情况，允许函数声明中用 void * 通配各种参数。通配符非字符空间也有两种定义方式：

• void * p：非字符空间，可以读写。
• const void * p：非字符空间，只读。

通配符接受的参数，在使用前需要强转为具体类型（通常就是无符号字符）：

void fun(void *p, int size)
{
	unsigned char * ps = (unsigned char *)p; // 转为字节指针
	//printf("%s\n", ps); // 这是个反例，非字符不可当字符串读取，可能出问题
}

memcpy 函数

memcpy 函数用于操作非字符空间，可以在 Linux 终端通过 man 3 memcpy 查看语义。

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

recv 和 send 函数

这是两个 socket 通信的函数，在 <sys/socket.h> 头文件中声明，函数语义为：

ssize_t recv(int socket, void *buffer, size_t length, int flags);
ssize_t send(int socket, const void *buffer, size_t length, int flags);

函数入参的总结

根据子函数是否具有修改实参的能力，可以分为：

• 值传递：无法修改
• 引用传递：可以修改

字符空间和数据空间的引用类型：

• char *：字符空间，以 \0 结束
• void * 或 unsigned char *（推荐用 void *）：数据空间，操作时需同时指定字节数

引用传递时，如果要限制子函数对实参的修改能力，可以加 const 限定：

• const char *：字符空间
• const void *：数据空间

函数返回值

函数是个代码集合，但是有三个要素：入参，返回值，函数名。

函数通过入参和返回值实现承上启下的效果。

函数的执行结果，有两种方式传给调用者：

• 返回值：函数执行完后，通过 return 将返回值传给调用者。函数返回值是值传递，调用者需创建新变量接收这个值。
• 入参的指针：入参是指针，函数执行结果放到这个指针所指向的内存

返回值不是必须的，可以通过指针类型的入参返回数据给调用者。例如：

int fun1();			//函数返回 int 值
void fun2(int *); 	//函数接收并直接操作 int 指针，实现跟上面返回值一样的效果

上面两个函数，调用方式如下：

int a = 0;
a = fun1();
fun2(&a);

函数返回值类型

返回基本数据类型

基本类型

函数可以直接返回 int、char、double 等类型。因为是值传递，调用者和子函数各自都有一份返回值的内存空间，所以数据较大（例如 struct 结构体）时，不适合直接返回。

连续内存空间

直接返回变量在内存空间中的地址。

注意：函数返回值是指针时，需要确保其指向地址的合法性！！

如果返回值在栈中（局部变量），则一定有问题！可以在全局变量区、数据区、堆区。

int * fun1();		// 函数返回 int 指针
void fun2(int **p);	// 函数接收 int 指针的指针

完整实例：

#include <stdio.h>

int * fun1() {
	int a = 666;
	//return &a; // 这里有警告，因为返回了局部变量，这块内存空间在子函数执行完后会被回收掉
	return 666;
}
void fun2(int **p) {
	int a = 888;
	**p = a; // 直接改值，也可以改指针地址
}
int main () {
	int *a;
	a = fun1();
	printf("a is: %x, a's value is: %d\n", a, *a);
	fun2(&a);
	printf("a is: %x, a's value is: %d\n", a, *a);
	return 0;
}

输出：

a is: 59298a3c, a's value is: 666
a is: 59298a3c, a's value is: 888

返回连续空间

注意：函数返回值是指针时，需要确保其指向地址的合法性！！

如果返回值在栈中（局部变量），则一定有问题！可以在全局变量区、数据区、堆区。

C 函数中，无法直接返回数组。如果需要返回连续空间，需要返回指针。例如上面的

int *fun();

就是返回 int 类型的连续空间。

函数返回指针时，需要注意地址指向的合法性。

返回字符串指针时，需要指向常量区等全局有效的地址。如果当做字符数组，因为是局部变量，会出问题。示例：

#include <stdio.h>

char * fun3() {
	//char str[] = "hello"; // 这里创建的字符数组，在子函数执行结束后释放内存，所以返回值的地址非法！！
	//return str;
	return "hello"; // 这里创建的字符串常量，存放在内存的常量区，程序执行过程中不会释放
}
int main () {
	char * p = fun3();
	printf("p is: %s\n", p);
	return 0;
}

输出：

p is: hello

函数返回值的用法

要保证子函数执行结束后，子函数中开辟的内存空间不被回收，可以在子函数中创建下面三种类型的数据：

• 只读数据区：也就是直接返回双引号括起来的常量字符串，注意不要赋值给局部变量，否则还是会被回收
• 静态数据区：static 修饰的静态数据在程序的生命周期内一直存在
• 堆区：通过 malloc 在堆中开辟的内存空间，只有在 free 后才会释放

返回基本类型

返回基本类型的数据时，因为是值传递，直接用即可：

int fun() {
	int a = 666;
	return a;
}

如果返回的是基本类型的指针，就需要确保指针的合法性。下面两个例子是反例，因为局部变量的内存空间在函数执行完毕后被释放，所以指针非法，编译时部分编译器会给出警告：

#include <stdio.h>
int * fun() {
	int * a; // 局部变量在程序执行结束后释放
	int b = 666;
	a = &b;
	return a;
}

char * fun2() {
	char *str = {"hello"}; // 局部变量在程序执行结束后释放
	return str;
}

char * fun3() {
	static char *str = {"hello"}; // 静态数据区的数据，在程序执行过程中一直有效
	return str;
}

int main()
{
	int *a = fun();
	char * s = fun2();
	printf("%d\n", *a);
	printf("%s\n", s);

   return 0;
}

返回连续内存空间

前面说了，局部变量在子函数执行完毕后，内存会被释放。返回这个野指针就会出问题。

为了避免这种情况，可以用 static 修饰局部变量，使其存储在静态区。静态区的数据跟数据区一样，在程序执行时不会释放：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

char * fun() {
	char * s = (char *)malloc(100);
	strcpy(s, "hello");
	return s; // 只读区的数据在程序执行时不会释放
}
char * fun2() {
	return "hello"; // 只读区的数据在程序执行时不会释放
}
char * fun3() {
	static char str[] = "hello"; // 静态区的数据跟只读区一样，在程序执行时不会释放
	return str;
}
int main () {
	char * p = fun();
	printf("p is: %s\n", p);
	free(p);	//释放堆空间
	char * p2 = fun2();
	printf("p is: %s\n", p2);
	char * p3 = fun3();
	printf("p is: %s\n", p3);
	return 0;
}

输出：

p is: hello
p is: hello
p is: hello

函数名就是标签，指向一段内存

C 语言中，数组名就是一个标签，指向一段内存。函数名跟数组名类似，也是一个指向一段内存的标签，有对应的地址：

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a[3];
	printf("array a locate at: %p\n", a);
	printf("function main locate at: %p\n", main);
	return 0;
}

输出：

array a locate at: 0x7ffec8099430
function main locate at: 0x40052d

可以创建指向函数的指针

数组的地址可以赋值给指针，函数的地址同样也可以传给指针。这里以 printf 为例，库函数的具体定义，可以通过 man 3 printf 查看。

注意，在创建指向函数的指针时，需要保证参数的一致，否则编译会报错：

#include <stdio.h>

void fun(int a)
{
    printf("printed in fun(), a is:%d", a);
}

int main()
{
    printf("fun's address is: %p\n", fun);
    int (*p1)(const char *, ...) = printf;
    p1("print by p: hello\n");

    int (*myshow)(const char *, ...);
    myshow = (int (*)(const char*, ...))printf;
    myshow("print by myshow:666\n");

    int (*p2)(int); // 创建指向函数的指针
    p2 = (int (*)(int))fun; // 将函数的地址转为指针
    p2(666); // 用指针执行函数

    int (*p[1])(int);
    p[0] = (int (*)(int))fun;

    p[0](888);

    return 0;
}

创建函数数组

#include <stdio.h>

void fun1(int a)
{
    printf("printed in fun1(), a is:%d\n", a);
}
void fun2(int a)
{
    printf("printed in fun2(), a is:%d\n", a);
}

int main()
{
    int (*p[2])(int); // 创建包含两个元素的数组 p，每个元素是都指向函数的指针
    p[0] = (int (*)(int))fun1;
    p[1] = (int (*)(int))fun2;

    p[0](888);
    p[1](666);

    return 0;
}

输出：

printed in fun1(), a is:888
printed in fun2(), a is:666