练习16：结构体和指向它们的指针
译者：飞龙
在这个练习中你将会学到如何创建struct，将一个指针指向它们，以及使用它们来理解内存的内部结构。我也会借助上一节课中的指针知识，并且让你使用malloc从原始内存中构造这些结构体。
像往常一样，下面是我们将要讨论的程序，你应该把它打下来并且使它正常工作：
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct Person {
char *name;
int age;
int height;
int weight;
};
struct Person *Person_create(char *name, int age, int height, int weight)
{
struct Person *who = malloc(sizeof(struct Person));
assert(who != NULL);
who->name = strdup(name);
who->age = age;
who->height = height;
who->weight = weight;
return who;
}
void Person_destroy(struct Person *who)
{
assert(who != NULL);
free(who->name);
free(who);
}
void Person_print(struct Person *who)
{
printf("Name: %s\n", who->name);
printf("\tAge: %d\n", who->age);
printf("\tHeight: %d\n", who->height);
printf("\tWeight: %d\n", who->weight);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
// make two people structures
struct Person *joe = Person_create(
"Joe Alex", 32, 64, 140);
struct Person *frank = Person_create(
"Frank Blank", 20, 72, 180);
// print them out and where they are in memory
printf("Joe is at memory location %p:\n", joe);
Person_print(joe);
printf("Frank is at memory location %p:\n", frank);
Person_print(frank);
// make everyone age 20 years and print them again
joe->age += 20;
joe->height -= 2;
joe->weight += 40;
Person_print(joe);
frank->age += 20;
frank->weight += 20;
Person_print(frank);
// destroy them both so we clean up
Person_destroy(joe);
Person_destroy(frank);
return 0;
}
我打算使用一种和之前不一样的方法来描述这段程序。我并不会对程序做逐行的拆分，而是由你自己写出来。我会基于程序所包含的部分来给你提示，你的任务就是写出每行是干什么的。
包含（include）
我包含了一些新的头文件，来访问一些新的函数。每个头文件都提供了什么东西？
struct Person
这就是我创建结构体的地方了，结构体含有四个成员来描述一个人。最后我们得到了一个复合类型，让我们通过一个名字来整体引用这些成员，或它们的每一个。这就像数据库表中的一行或者OOP语言中的一个类那样。
Pearson_create 函数
我需要一个方法来创建这些结构体，于是我定义了一个函数来实现。下面是这个函数做的几件重要的事情：
- 使用用于内存分配的
malloc来向OS申请一块原始的内存。 - 向
malloc传递sizeof(struct Person)参数，它计算结构体的大小，包含其中的所有成员。 - 使用了
assert来确保从malloc得到一块有效的内存。有一个特殊的常亮叫做NULL，表示“未设置或无效的指针”。这个assert大致检查了malloc是否会返回NULL。 - 使用
x->y语法来初始化struct Person的每个成员，它指明了所初始化的成员。 - 使用
strdup来复制字符串name，是为了确保结构体真正拥有它。strdup的行为实际上类似malloc但是它同时会将原来的字符串复制到新创建的内存。
译者注：
x->y是(*x).y的简写。
Person_destroy 函数
如果定义了创建函数，那么一定需要一个销毁函数，它会销毁Person结构体。我再一次使用了assert来确保不会得到错误的输入。接着我使用了free函数来交还通过malloc和strdup得到的内存。如果你不这么做则会出现“内存泄露”。
译者注：不想显式释放内存又能避免内存泄露的办法是引入
libGC库。你需要把所有的malloc换成GC_malloc，然后把所有的free删掉。
Person_print 函数
接下来我需要一个方法来打印出人们的信息，这就是这个函数所做的事情。它用了相同的x->y语法从结构体中获取成员来打印。
main 函数
我在main函数中使用了所有前面的函数和struct Person来执行下面的事情：
- 创建了两个人：
joe和frank。 - 把它们打印出来，注意我用了
%p占位符，所以你可以看到程序实际上把结构体放到了哪里。 - 把它们的年龄增加20岁，同时增加它们的体重。
- 之后打印出每个人。
- 最后销毁结构体，以正确的方式清理它们。
请仔细阅读上面的描述，然后做下面的事情：
- 查询每个你不了解的函数或头文件。记住你通常可以使用
man 2 function或者man 3 function来让它告诉你。你也可以上网搜索资料。 - 在每一行上方编写注释，写下这一行代码做了什么。
- 跟踪每一个函数调用和变量，你会知道它在程序中是在哪里出现的。
- 同时也查询你不清楚的任何符号。
你会看到什么
在你使用描述性注释扩展程序之后，要确保它实际上能够运行，并且产生下面的输出：
$ make ex16
cc -Wall -g ex16.c -o ex16
$ ./ex16
Joe is at memory location 0xeba010:
Name: Joe Alex
Age: 32
Height: 64
Weight: 140
Frank is at memory location 0xeba050:
Name: Frank Blank
Age: 20
Height: 72
Weight: 180
Name: Joe Alex
Age: 52
Height: 62
Weight: 180
Name: Frank Blank
Age: 40
Height: 72
Weight: 200
解释结构体
如果你完成了我要求的任务，你应该理解了结构体。不过让我来做一个明确的解释，确保你真正理解了它。
C中的结构体是其它数据类型（变量）的一个集合，它们储存在一块内存中，然而你可以通过独立的名字来访问每个变量。它们就类似于数据库表中的一行记录，或者面向对象语言中的一个非常简单的类。让我们以这种方式来理解它：
- 在上面的代码中，你创建了一个结构体，它们的成员用于描述一个人：名称、年龄、体重、身高。
- 每个成员都有一个类型，比如是
int。 - C会将它们打包到一起，于是它们可以用单个的结构体来存放。
-
struct Person是一个复合类型，这意味着你可以在同种表达式中将其引用为其它的数据类型。 - 你可以将这一紧密的组合传递给其它函数，就像
Person_print那样。 - 如果结构体是指针的形式，接着你可以使用
x->y通过它们的名字来访问结构体中独立的部分。 - 还有一种创建结构体的方法，不需要指针，通过
x.y来访问。你将会在附加题里面见到它。
如果你不使用结构体，则需要自己计算出大小、打包以及定位出指定内容的内存片位置。实际上，在大多数早期（甚至现在的一些）的汇编代码中，这就是唯一的方式。在C中你就可以让C来处理这些复合数据类型的内存构造，并且专注于和它们交互。
如何使它崩溃
使这个程序崩溃的办法涉及到使用指针和malloc系统的方法：
- 试着传递
NULL给Person_destroy来看看会发生什么。如果它没有崩溃，你必须移除Makefile的CFLAGS中的-g选项。 - 在结尾处忘记调用
Person_destroy，在Valgrind下运行程序，你会看到它报告出你忘记释放内存。弄清楚你应该向valgrind传递什么参数来让它向你报告内存如何泄露。 - 忘记在
Person_destroy中释放who->name，并且对比两次的输出。同时，使用正确的选项来让Valgrind告诉你哪里错了。 - 这一次，向
Person_print传递NULL，并且观察Valgrind会输出什么。 - 你应该明白了
NULL是个使程序崩溃的快速方法。
附加题
在这个练习的附加题中我想让你尝试一些有难度的东西：将这个程序改为不用指针和malloc的版本。这可能很困难，所以你需要研究下面这些东西：
- 如何在栈上创建结构体，就像你创建任何其它变量那样。
- 如何使用
x.y而不是x->y来初始化结构体。 - 如何不使用指针来将结构体传给其它函数。
