【C语言】——内存函数的使用及模拟实现

摘要？不知道写什么

9毫米的幻想

1068人浏览 · 2024-04-21 11:52:21

9毫米的幻想 · 2024-04-21 11:52:21 发布

【C语言】——内存函数的使用及模拟实现

前言

在【C语言】——字符串函数的使用与模拟实现（上）与【C语言】——字符串函数的使用与模拟实现（下）二文中，我曾详细介绍了字符串相关函数的具体功能及其模拟实现。

然而，实践过程中，我们往往不仅仅只是处理字符串类型的变量，若要对浮点型、整型、结构体等其他类型的数据进行相关操作，又该怎么办呢？

这时，就需要用到的内存操作函数了

接下来，让我们一起来学习学习吧

一、 $m e m c p y$ 函数

1.1、函数功能

（1）函数名理解

在介绍 $m e m c p y$ 函数的功能前，我们先来对函数名进行分析：

$m e m$ 表示的是 $m e m ory$ ，它有记忆、内存的意思，这里它表示的是内存
$c p y$ 即 $co p y$ ，表示拷贝

这样我们从名字就能大体知道这个函数的大致功能啦，像之前的 $s t rc p y$ 函数，它是实现对字符串的拷贝，而 $m e m c p y$ 函数，实现的是对内存块的拷贝。

（2）函数介绍

功能：将源字符串的前 $n u m$ 个内存块内容拷贝到目标字符串中

函数 $m e m c p y$ 从 $so u rce$ 的位置开始向后复制 $n u m$ 个字节的数据到 $d es t ina t i o n$ 指向的内存为止
函数的使用需包含头文件 $< s t r in g . h >$
因为拷贝的数据不一定是字符串，函数在遇到 ‘\0’ 时不会停下来
如果 $so u rce$ 和 $d es t ina t i o n$ 有任何的重叠，复制的结果都是未定义的
$d es t ina t i o n$ 所指向的空间必须足够大，至少 $n u m$ 个字节大小，以避免溢出
返回值是目标空间的地址

注：对于重叠的内存，交给 $m e mm o v e$ 函数来处理。

1.2、函数的使用

例如：我们将整型数组 $a rr 1$ 的前 5 个元素复制给 $a rr 2$ 数组

代码如下：

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

int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int arr2[20] = { 0 };
	memcpy(arr2, arr1, 20);
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr2[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

可能有些小伙伴在调用 $m e m c p y$ 函数时， $n u m$ 的传参会写成 5 ：memcpy(arr2, arr1, 5);，这里需要注意： $m e m c p y$ 拷贝是内存块为单位，即字节，而不是要拷贝的元素的个数。
当然， $n u m$ 的传参也可以写成元素个数 $*$ $s i zeo f$ （类型）
如：上述代码调用 $m e m c p y$ 函数可写成：memcpy(arr2, arr1, 5*sizeof(int));

那如果用 $m e m c p y$ 拷贝重叠空间会怎样呢？我们用自己写的模拟函数试一下

int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	my_memcpy(arr1 + 2, arr1, 20);
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr1[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

为什么会这样呢？具体原因稍后解释。

1.3、函数的模拟实现

$m e m c p y$ 函数的实现思路和 $s t rc p y$ 的实现差不多，即逐一拷贝每个内存块（详情请看：【C语言】——字符串函数的使用与模拟实现（上））

void* my_memcpy(void* dest, void* src, size_t num)
{
	void* ret = dest;
	assert(dest && src);

	while (num--)
	{
		*(char*)dest = *(char*)src;
		dest = (char*)dest + 1;
		src = (char*)src + 1;
	}

	return ret;
}

代码逐行解析：

参数用 $v o i d$ * 的原因： $m e m c p y$ 拷贝的是任意类型的数据，而函数事先并不知道你所用传递的数据的类型，因此用 $v o i d$ * 指针，以便能接收所有类型的数据。
assert(dest && src);断言，后面要对指针进行解引用，因此不能传入空指针。
while (num--)循环条件的判断， $n u m$ 不为 0，即为真，进入循环，后 $n u m$ 自减
*(char*)dest = *(char*)src;【C语言】—— 指针一：初识指针（上）一文中，曾提到不能对 $v o i d$ * 指针进行解引用操作，因此要改变其所指向的值，要对其进行强制类型转换。因为 $c ha r$ * 类型一次的访问权限只有一个字节，因此将其强转成 $c ha r$ * 类型，再进行解引用、赋值
dest = (char*)dest + 1;指针向后移，指向下一个字节

这里有小伙伴可能会问：dest = (char*)dest + 1;我觉得有点啰嗦，能不能写成(char*)dest++;呢？
答案是：不能
为什么呢？
因为强制类型转换是临时的。这里的 ++，不是对 $c ha r$ * 类型的 $d es t$ ++，而是对 $v o i d$ * 类型的 $d es t$ ++
上述代码可拆分成两句：(char*)dest;，dest++;

那((char*)dest)++;可行吗？
基本是没问题的，但需要注意的是，有部分编译器可能编不过去。

因此，循环语句的内容也可写成：

	while (num--)
	{
		*((char*)dest)++ = *((char*)src)++;
	}

当然，最好还是上面的那种写法。

二、 $m e mm o v e$ 函数

2.1、函数功能

在前面将 $m e m c p y$ 函数时，我曾提到，对于重叠的内存，交给 $m e mm o v e$ 函数来处理，那么 $m o mm o v e$ 函数又是做什么的呢？

功能：将源字符串的前 $n u m$ 个内存块内容拷贝到目标字符串中

和 $m e m c p y$ 函数的差别就是 $m e mm o v e$ 函数处理的源内存块和目标内存块可以重叠的。
如果源空间和目标空间出现重叠，就得使用 $m e mm o v e$ 函数处理。

2.2、函数的使用

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

int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	memcpy(arr + 2, arr, 20);
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

图示：

可以看到，复制 5 个元素，目标空间与源空间重合了，这时，就不能再使用 $m e m c p y$ 函数，而要用 $m e mm o v e$ 函数了

2.3、函数的模拟实现

（1）思路一

要实现重叠空间的拷贝，有什么办法呢？

我们想到，可以另外开辟一个数组，将原数组所有数据进行拷贝。然后，再对需要拷贝的元素进行拷贝。

但是，这个方法太过繁琐，而且要单独创建数组，浪费空间，这里我们暂不考虑。

（2）思路二

那还有什么办法呢？我们不妨想一想，为什么内存空间重叠不能用memcpy函数？因为新拷贝的内容会将原来真正想拷贝的内容覆盖，这样最终拷贝出来的结果就不是自己想要的

图示：

那有什么办法可以让先拷贝的内容不覆盖后拷贝的内容呢？

我们可以从后往前拷贝，如图：

这时，有小伙伴就说了：只要以后我们都从后往前拷就行了
但问题又来了，如果是从 $a rr$ + 2 开始拷贝 5 个元素到 $a rr$ 呢?

如图：

发现又出问题了，但问题和之前一样，先拷贝的内容覆盖了原数据，导致后拷贝的内容错误

这时就需要用到从前往后拷贝了

那什么时候从后往前拷，什么时候从前往后拷呢？

结论：

当两块空间重叠时，目标空间在源空间前面，从前向后拷贝
当两块空间重叠时，目标空间在源空间后面，从后向前拷贝
当两块空间不重叠时，两种拷贝方法都行

图示：

（3）代码实现

这里，空间不重叠的部分我们用从后向前，因为这样只用在 $src$ 处分界即可

void* my_memmove(void* dest, void* src, size_t num)
{
	void* ret = dest;
	assert(dest && src);

	if (src > dest)
	{
		while (num--)
		{
			//前->后
			*(char*)dest = *(char*)src;
			dest = (char*)dest + 1;
			src = (char*)src + 1;
		}
	}
	else
	{
		//后->前
		while (num--)
		{
			*((char*)dest + num) = *((char*)src + num);
		}
	}
	return 0;
}

这段代码从前往后的情况与 $m e m c p y$ 情况相同，就不再过多解释，来看从后往前的情况

while (num--)这里循环判断条件与上面一样，当 $n u m$ 大于 0，进入循环，随后进行自减。
*((char*)dest + num) = *((char*)src + num);这里我们发现，如果要拷贝 20 字节内容，即 $n u m$ 等于 20，那么起始位置加 $n u m$ - 1 所指向的就是最后一个要拷贝的字节，而 $n u m$ 在进入循环后已经自减，因此这里直接加 $n u m$ 。再接着，再次循环， $n u m$ 再次自减，拷贝倒数第二个字节内容，以此类推，直至 $n u m$ 为 0 拷贝结束。

三、 $m e m se t$ 函数

3.1、函数功能

功能：设置内存，将内存中的值以字节为单位设置成想要的内容

$pt r$ ：指向要设置的内存块
$v a l u e$ ：要设置的值
$n u m$ ：要设置字节的个数
返回值：要设置的内存，即 $pt r$

3.2、函数的使用

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

int main()
{
	char str[] = "hello world";
	memset(str, 'x', 6);
	printf(str);
	printf("\n);
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

这时，有小伙伴问能不能用它来设置整型呢？当然可以

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

int main()
{
	int arr[10];
	memset(arr, 0, 10*sizeof(int));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

那又有小伙伴问全部设置成 1 可以吗？我们来试试

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

int main()
{
	int arr[10];
	memset(arr, 1, 10*sizeof(int));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
为什么会这样？
我们要注意： $m e m se t$ 是以字节为单位来设置的。
1 的二进制是 00000000 00000000 00000000 00000001
而 $m e m se t$ 是将每个字节单独设置成 1，即一个整型被设置成：00000001 00000001 00000001 00000001，转换成二进制即：16843009

3.3、函数的模拟实现

void* memset(void* ptr, int value, size_t num)
{
	assert(ptr);

	while (num--)
	{
		*((char*)ptr + num) = value;
	}
	
	return ptr;
}

四、 $m e m c m p$ 函数

4.1、函数功能

功能：比较从 $pt r 1$ 和 $pt r 2$ 指针指向的位置开始，向后的 $n u m$ 个字节

返回值如下：

如果返回值 < 0，则表示 str1 小于 str2。
如果返回值 > 0，则表示 str1 大于 str2。
如果返回值 = 0，则表示 str1 等于 str2。

4.2、函数的使用

int main()
{
	char buffer1[] = "DWgaOtP12df0";
	char buffer2[] = "DWGAOTP12DF0";
	int n = 0;
	n = memcmp(buffer1, buffer2, sizeof(buffer1));

	if (n > 0)
		printf("'%s' is greater than '%s'.\n", buffer1, buffer2);

	else if(n < 0)
		printf("'%s' is less than '%s'.\n", buffer1, buffer2);

	else
		printf("'%s' is the same '%s'.\n", buffer1, buffer2);

	return 0;

}

运行结果：
在这里插入图片描述

4.3、函数的模拟实现

int my_memcmp(const void* ptr1, const void* ptr2, size_t num)
{
	assert(ptr1 && ptr2);

	while (*(char*)ptr1 == *(char*)ptr2 && num--)
	{
		ptr1 = (char*)ptr1 + 1;
		ptr2 = (char*)ptr2 + 1;
	}

	return *(char*)ptr1 - *(char*)ptr2;
}