单片机C语言编程定时器的两种表达方式
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引言
对于任何使用 C 语言的人,如果问他们 C 语言的最大烦恼是什么,其中许多人可能会回答说是指针和内存泄漏。这些的确是消耗了开发人员大多数调试时间的事项。指针和内存泄漏对某些开发人员来说似乎令人畏惧,但是一旦您了解了指针及其关联内存操作的基础,它们就是您在 C 语言中拥有的最强大工具。
本文将与您分享开发人员在开始使用指针来编程前应该知道的秘密。本文内容包括:
●导致内存破坏的指针操作类型
●在使用动态内存分配时必须考虑的检查点
●导致内存泄漏的场景
如果您预先知道什么地方可能出错,那么您就能够小心避免陷阱,并消除大多数与指针和内存相关的问题。
什么地方可能出错?
有几种问题场景可能会出现,从而可能在完成生成后导致问题。在处理指针时,您可以使用本文中的信息来避免许多问题。
未初始化的内存
在本例中,p已被分配了 10 个字节。这 10 个字节可能包含垃圾数据,如图 1所示。
char *p = malloc ( 10 );
如果在对这个p赋值前,某个代码段尝试访问它,则可能会获得垃圾值,您的程序可能具有不可预测的行为。p可能具有您的程序从未曾预料到的值。
良好的实践是始终结合使用memset和malloc,或者使用calloc。
char *p = malloc (10);
memset(p,’’,10);
现在,即使同一个代码段尝试在对p赋值前访问它,该代码段也能正确处理Null值(在理想情况下应具有的值),然后将具有正确的行为。
内存覆盖
由于p已被分配了 10 个字节,如果某个代码片段尝试向p写入一个 11 字节的值,则该操作将在不告诉您的情况下自动从其他某个位置“吃掉”一个字节。让我们假设指针q表示该内存。
结果,指针q将具有从未预料到的内容。即使您的模块编码得足够好,也可能由于某个共存模块执行某些内存操作而具有不正确的行为。下面的示例代码片段也可以说明这种场景。
char *name = (char *) malloc(11);
// Assign some value to name
memcpy ( p,name,11); // Problem begins here
在本例中,memcpy操作尝试将 11 个字节写到p,而后者仅被分配了 10 个字节。
作为良好的实践,每当向指针写入值时,都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。一般情况下,memcpy函数将是用于此目的的检查点。
内存读取越界
内存读取越界 (overread) 是指所读取的字节数多于它们应有的字节数。这个问题并不太严重,在此就不再详述了。下面的代码提供了一个示例。
char *ptr = (char *)malloc(10);
char name[20] ;
memcpy ( name,ptr,20); // Problem begins here
在本例中,memcpy操作尝试从ptr读取 20 个字节,但是后者仅被分配了 10 个字节。这还会导致不希望的输出。
内存泄漏
内存泄漏可能真正令人讨厌。下面的列表描述了一些导致内存泄漏的场景。
● 重新赋值我将使用一个示例来说明重新赋值问题。
char *memoryArea = malloc(10);
char *newArea = malloc(10);
这向如下面的图 4所示的内存位置赋值。
memoryArea和newArea分别被分配了 10 个字节,它们各自的内容如图 4所示。如果某人执行如下所示的语句(指针重新赋值)……
memoryArea = newArea;
则它肯定会在该模块开发的后续阶段给您带来麻烦。
在上面的代码语句中,开发人员将memoryArea指针赋值给newArea指针。结果,memoryArea以前所指向的内存位置变成了孤立的,如下面的图 5所示。它无法释放,因为没有指向该位置的引用。这会导致 10 个字节的内存泄漏。
● 在对指针赋值前,请确保内存位置不会变为孤立的。
● 首先释放父块假设有一个指针memoryArea,它指向一个 10 字节的内存位置。该内存位置的第三个字节又指向某个动态分配的 10 字节的内存位置,如图 6所示。
free(memoryArea)
如果通过调用 free 来释放了memoryArea,则newArea指针也会因此而变得无效。newArea以前所指向的内存位置无法释放,因为已经没有指向该位置的指针。换句话说,newArea所指向的内存位置变为了孤立的,从而导致了内存泄漏。
每当释放结构化的元素,而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针时,应首先遍历子内存位置(在此例中为newArea),并从那里开始释放,然后再遍历回父节点。
这里的正确实现应该为:
free( memoryArea->newArea);
free(memoryArea);
返回值的不正确处理
有时,某些函数会返回对动态分配的内存的引用。跟踪该内存位置并正确地处理它就成为了calling函数的职责。
char *func ( )
{
return malloc(20); // make sure to memset this location to ‘’…
}
void callingFunc ( )
{
func ( ); // Problem lies here
}
在上面的示例中,callingFunc()函数中对func()函数的调用未处理该内存位置的返回地址。结果,func()函数所分配的 20 个字节的块就丢失了,并导致了内存泄漏。
归还您所获得的
在开发组件时,可能存在大量的动态内存分配。您可能会忘了跟踪所有指针(指向这些内存位置),并且某些内存段没有释放,还保持分配给该程序。
始终要跟踪所有内存分配,并在任何适当的时候释放它们。事实上,可以开发某种机制来跟踪这些分配,比如在链表节点本身中保留一个计数器(但您还必须考虑该机制的额外开销)。
访问空指针
访问空指针是非常危险的,因为它可能使您的程序崩溃。始终要确保您不是在访问空指针。
总结
本文讨论了几种在使用动态内存分配时可以避免的陷阱。要避免内存相关的问题,良好的实践是:
● 始终结合使用memset和 malloc,或始终使用calloc。
● 每当向指针写入值时,都要确保对可用字节数和所写入的字节数进行交叉核对。
● 在对指针赋值前,要确保没有内存位置会变为孤立的。
● 每当释放结构化的元素(而该元素又包含指向动态分配的内存位置的指针)时,都应首先遍历子内存位置并从那里开始释放,然后再遍历回父节点。
● 始终正确处理返回动态分配的内存引用的函数返回值。
● 每个malloc都要有一个对应的 free。
● 确保您不是在访问空指针。
来自:IBM developerWorks
链接:http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-toughgame/
一、五大内存分区:
内存分成5个区,它们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。
1、栈区(stack):FIFO就是那些由编译器在需要的时候分配,在不需要的时候自动清除的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。
2、堆区(heap):就是那些由new分配的内存块,它们的释放编译器不去管,由我们的应用程序去控制,一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉,那么在程序结束后,操作系统会自动回收。
3、自由存储区:就是那些由malloc等分配的内存块,它和堆是十分相似的,不过它是用free来结束自己的生命。
4、全局/静态存储区:全局变量和静态变量被分配到同一块内存中,在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,在C++里面没有这个区分了,他们共同占用同一块内存区。
5、常量存储区:这是一块比较特殊的存储区,它们里面存放的是常量,不允许修改(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多)
code/data/stack
内存主要分为代码段,数据段和堆栈。代码段放程序代码,属于只读内存。数据段存放全局变量,静态变量,常量等,堆里存放自己malloc或new出来的变量,其他变量就存放在栈里,堆栈之间空间是有浮动的。数据段的内存会到程序执行完才释放。调用函数先找到函数的入口地址,然后计算给函数的形参和临时变量在栈里分配空间,拷贝实参的副本传给形参,然后进行压栈操作,函数执行完再进行弹栈操作。字符常量一般放在数据段,而且相同的字符常量只会存一份。
二、C语言程序的存储区域
1、由C语言代码(文本文件)形成可执行程序(二进制文件),需要经过编译-汇编-连接三个阶段。编译过程把C语言文本文件生成汇编程序,汇编过程把汇编程序形成二进制机器代码,连接过程则将各个源文件生成的二进制机器代码文件组合成一个文件。
2、C语言编写的程序经过编译-连接后,将形成一个统一文件,它由几个部分组成。在程序运行时又会产生其他几个部分,各个部分代表了不同的存储区域:
1)代码段(Code或Text)
代码段由程序中执行的机器代码组成。在C语言中,程序语句执行编译后,形成机器代码。在执行程序的过程中,CPU的程序计数器指向代码段的每一条机器代码,并由处理器依次运行。
2)只读数据段(RO data)
只读数据段是程序使用的一些不会被更改的数据,使用这些数据的方式类似查表式的操作,由于这些变量不需要更改,因此只需要放置在只读存储器中即可。
3)已初始化读写数据段(RW data)
已初始化数据是在程序中声明,并且具有初值的变量,这些变量需要占用存储器的空间,在程序执行时它们需要位于可读写的内存区域内,并且有初值,以供程序运行时读写。
4)未初始化数据段(BBS)
未初始化数据是在程序中声明,但是没有初始化的变量,这些变量在程序运行之前不需要占用存储器的空间。
5)堆(heap)
堆内存只在程序运行时出现,一般由程序员分配和释放。在具有操作系统的情况下,如果程序没有释放,操作系统可能在程序(例如一个进程)结束后会后内存。
6)栈(statck)
堆内存只在程序运行时出现,在函数内部使用的变量,函数的参数以及返回值将使用栈空间,栈空间由编译器自动分配和释放。
3、代码段、只读数据段、读写数据段、未初始化数据段属于静态区域,而堆和栈属于动区域。代码段、只读数据段和读写数据段将在连接之后产生,未初始化数据段将在程序初始化的时候开辟,而对堆和栈将在程序饿运行中分配和释放。
4、C语言程序分为映像和运行时两种状态。在编译-连接后形成的映像中,将只包含代码段(Text)、只读数据段(R0 Data)和读写数据段(RW Data)。在程序运行之前,将动态生成未初始化数据段(BSS),在程序的运行时还将动态生成堆(Heap)区域和栈(Stack)区域。
注:
1、一般来说,在静态的映像文件中,各个部分称之为节(Section),而在运行时的各个部分称之为段(Segment)。如果不详细区分,统称为段。
2、C语言在编译连接后,将生成代码段(TEXT),只读数据段(RO Data)和读写数据段(RW Data)。在运行时,除了上述三个区域外,还包括未初始化数据段(BBS)区域和堆(heap)区域和栈(Stack)区域。
三、C语言程序的段
1、段的分类
每一个源程序生成的目标代码将包含源程序所需要表达的所有信息和功能。目标代码中各段生成情况如下:
1)代码段(Code)
代码段由程序中的各个函数产生,函数的每一个语句将最终经过编译和汇编生成二进制机器代码
2)只读数据段(RO Data)
只读数据段由程序中所使用的数据产生,该部分数据的特点在运行中不需要改变,因此编译器会将数据放入只读的部分中。C语言的一些语法将生成只读数据数据段。
2、只读数据段(RO Data)
只读数据段(RO Data)由程序中所使用的数据产生,该部分数据的特点是在运行中不需要改变,因此编译器会将数据放入只读的部分中。以下情况将生成只读数据段。
1)只读全局变量
定义全局变量const char a[100]=”abcdefg”将生成大小为100个字节的只读数据区,并使用字符串“abcdefg”初始化。如果定义为const char a[]=”abcdefg”,没有指定大小,将根据“abcdefgh”字串的长度,生成8个字节的只读数据段。
2)只读局部变量
例如:在函数内部定义的变量const char b[100]=”9876543210”;其初始化的过程和全局变量。
3)程序中使用的常量
例如:在程序中使用printf("information\n”),其中包含了字串常量,编译器会自动把常量“information \n”放入只读数据区。
注:在const char a[100]={“ABCDEFG”}中,定义了100个字节的数据区,但是只初始化了前面的8个字节(7个字符和表示结束符的‘\0’)。在这种用法中,实际后面的字节米有初始化,但是在程序中也不能写,实际上没有任何用处。因此,在只读数据段中,一般都需要做完全的的初始化。
3、读写数据段(RW Data)
读写数据段表示了在目标文件中一部分可以读也可以写的数据区,在某些场合它们又被称为已初始化数据段。这部分数据段和代码,与只读数据段一样都属于程序中的静态区域,但是具有科协的特点。
1)已初始化全局变量
例如:在函数外部,定义全局的变量char a[100]=”abcdefg”
2)已初始化局部静态变量
例如:在函数中定义static char b[100]=”9876543210”。函数中由static定义并且已经初始化的数据和数组将被编译为读写数据段。
说明:
读写数据区的特点是必须在程序中经过初始化,如果只有定义,没有初始值,则不会生成读写数据区,而会定义为未初始化数据区(BSS)。如果全局变量(函数外部定义的变量)加入static修饰符,写成static char a[100]的形式,这表示只能在文件内部使用,而不能被其他文件使用。
4、未初始化数据段(BSS)
未初始化数据段常被称之为BSS(英文名为Block start by symbol的缩写)。与读写数据段类似,它也属于静态数据区。但是该段中数据没有经过初始化。因此它只会在目标文件中被标识,而不会真正称为目标文件中的一个段,该段将会在运行时产生。未初始化数据段只有在运行的初始化阶段才会产生,因此它的大小不会影响目标文件的大小。
四、在C语言的程序中,对变量的使用还有以下注意
1、在函数体中定义的变量通常是在栈上,不需要在程序中进行管理,由编译器处理。
2、用malloc,calloc,realoc等分配分配内存的函数所分配的内存空间在堆上,程序必须保证在使用后使用后freee释放,否则会发生内存泄漏。
3、所有函数体外定义的是全局变量,加了static修饰符后的变量不管在函数内部或者外部存放在全局区(静态区)。
4、使用const定义的变量将放于程序的只读数据区。
说明:
在C语言中,可以定义static变量:在函数体内定义的static变量只能在该函数体内有效;在所有函数体外定义的static变量,也只能在该文件中有效,不能在其他源文件中使用;对于没有使用 static修饰的全局变量,可以在其他的源文件中使用。这些区别是编译的概念,即如果不按要求使用变量,编译器会报错。使用static 和没使用static修饰的全局变量最终都将放置在程序的全局去(静态去)。
五、程序中段的使用
C语言中的全局区(静态区),实际上对应着下述几个段:
只读数据段:RO Data
读写数据段:RW Data
未初始化数据段:BSS Data
一般来说,直接定义的全局变量在未初始化数据区,如果该变量有初始化则是在已初始化数据区(RW Data),加上const修饰符将放置在只读区域(RO Data).
例如:
const char ro[ ]=”this is a readonlydata”; //只读数据段,不能改变ro数组中的内容,ro存放在只读数据段。
char rw1[ ]=”this is global readwrite data”; //已初始化读写数据段,可以改变数组rw1中的内容。应为数值/是赋值不是把”this is global readwrite data” 地址给了rw1,不能改变”this is global readwrite data”的数值。因为起是文字常量放在只读数据段中
char bss_1[100];//未初始化数据段
const char *ptrconst = “constant data”; //”constant data”放在只读数据段,不能改变ptrconst中的值,因为其是地址赋值。ptrconst指向存放“constant data”的地址,其为只读数据段。但可以改变ptrconst地址的数值,因其存放在读写数据段中。
实例讲解:
int main( )
{
short b;//b放置在栈上,占用2个字节
char a[100];//需要在栈上开辟100个字节,a的值是其首地址
char s[]=”abcde”;
//s在栈上,占用4个字节,“abcde”本身放置在只读数据存储区,占6字节。s是一个地址
//常量,不能改变其地址数值,即s++是错误的。
char *p1; //p1在栈上,占用4个字节
char *p2 ="123456"; //"123456"放置在只读数据存储区,占7个字节。p2在栈上,p2指向的内容不能更
//改,但是p2的地址值可以改变,即p2++是对的。
static char bss_2[100]; //局部未初始化数据段
static int c=0 ; //局部(静态)初始化区
p1 = (char *)malloc(10*sizeof(char)); //分配的内存区域在堆区
strcpy(p1,”xxx”); //”xxx”放置在只读数据存储区,占5个字节
free(p1); //使用free释放p1所指向的内存
return 0;
}
说明:
1、只读数据段需要包括程序中定义的const型的数据(如:const char ro[]),还包括程序中需要使用的数据如“123456”。对于const char ro[]和const char * ptrconst的定义,它们指向的内存都位于只读数据据区,其指向的内容都不允许修改。区别在于前者不允许在程序中修改ro的值,后者允许在程序中修改ptrconst本身的值。对于后者,改写成以下的形式,将不允许在程序中修改ptrconst本身的值:
const char * const ptrconst = “const data”;
2、读写数据段包含了已经初始化的全局变量static char rw1[]以及局部静态变量static char
rw2[]。rw1和rw2的差别在于编译时,是在函数内部使用的还是可以在整个文件中使用。对于前者,static修饰在于控制程序的其他文件时候可以访问rw1变量,如果有static修饰,将不能在其他的C语言源文件中使用rw1,这种影响针对编译-连接的特性,但无论有static,变量rw1都将被放置在读写数据段。对于后者rw2,它是局部的静态变量,放置在读写数据区;如果不使用static修饰,其意义将完全改变,它将会是开辟在栈空间局部变量,而不是静态变量。
3、未初始化数据段,事例1中的bss_1[100]和 bss_2[200]在程序中代表未初始化的数据段。其区别在于前者是全局的变量,在所有文件中都可以使用;后者是局部的变量,只在函数内部使用。未初始化数据段不设置后面的初始化数值,因此必须使用数值指定区域的大小,编译器将根据大小设置BBS中需要增加的长度。
4、栈空间包括函数中内部使用的变量如short b和char a[100],以及char *p1中p1这个变量的值。
1)变量p1指向的内存建立在堆空间上,堆空间只能在程序内部使用,但是堆空间(例如p1指向的内存)可以作为返回值传递给其他函数处理。
2)栈空间主要用于以下3类数据的存储:
a、函数内部的动态变量
b、函数的参数
c、函数的返回值
3)栈空间主要的用处是供函数内部的动态变量使用,变量的空间在函数开始之前开辟,在函数退出后由编译器自动回收。看一个例:
int main( )
{
char *p = "tiger";
p[1] = 'I';
p++;
printf("%s\n",p);
}
编译后提示:段错误
分析:
char *p = "tiger";系统在栈上开辟了4个字节存储p的数值。"tiger"在只读存储区中存储,因此"tiger"的内容不能改变,*p="tiger",表示地址赋值,因此,p指向了只读存储区,因此改变p指向的内容会引起段错误。但是因为p是存放在栈上,因此p的数值是可以改变的,因此p++是正确的。
六、const的使用
1、前言:
const是一个C语言的关键字,它限定一个变量不允许被改变。使用const在一定程序上可以提高程序的健壮性,另外,在观看别人代码的时候,清晰理解const所起的作用,对理解别人的程序有所帮助。
2、const变量和常量
1)const修饰的变量,其值存放在只读数据段中,其值不能被改变。称为只读变量。
其形式为 const int a=5;此处可以用a代替5
2)常量:其也存在只读数据段中,其数值也不能被改变。其形式为"abc" ,5
3、const 变量和const限定的内容,先看一个事例:
typedef char* pStr;
int main( )
{
char string[6] = “tiger”;
const char *p1 = string;
const pStr p2 = string;
p1++;
p2++;
printf(“p1=%s\np2=%s\n”,p1,p2);
}
程序经过编译后,提示错误为
error:increment of read-only variable ‘p2’
1)const 使用的基本形式为:const char m;
//限定m 不可变
2)替换1式中的m,const char *pm;
//限定*pm不可变,当然pm是可变的,因此p1++是对的。
3)替换1式中的char,const newType m;
//限定m不可变,问题中的pStr是一种新类型,因此问题中p2不可变,p2++是错误的。
4、const 和指针
类型声明中const用来修饰一个常量,有如下两种写法:
1)const在前面
const int nValue;//nValue是const
const char *pContent;//*pContent是const,pConst可变
const (char *)pContent;//pContent是const,*pContent可变
char *const pContent;//pContent是const,*pContent可变
const char * const pContent;//pContent和*pContent都是const
2)const 在后面与上面的声明对等
int const nValue; // nValue是const
char const *pContent; //*pContent是const, pContent可变
(char *) constpContent; //pContent是const, *pContent可变
char* const pContent; // pContent是const, *pContent可变
char const* const pContent; //pContent和*pContent都是const
说明:const和指针一起使用是C语言中一个很常见的困惑之处,下面是两天规则:
1)沿着*号划一条线,如果const位于*的左侧,则const就是用来修饰指针所指向的变量,即指针指向为常量;如果const位于*的右侧,const就是修饰指针本身,即指针本身是常量。你可以根据这个规则来看上面声明的实际意义,相信定会一目了然。
2)对于const (char *) ; 因为char *是一个整体,相当于一个类型(如char),因此,这是限定指针是const。
七、单片机C语言中的data,idata,xdata,pdata,code
从数据存储类型来说,8051系列有片内、片外程序存储器,片内、片外数据存储器,片内程序存储器还分直接寻址区和间接寻址类型,分别对应code、data、xdata、idata以及根据51系列特点而设定的pdata类型,使用不同的存储器,将使程序执行效率不同,在编写C51程序时,最好指定变量的存储类型,这样将有利于提高程序执行效率(此问题将在后面专门讲述)。与ANSI-C稍有不同,它只分SAMLL、COMPACT、LARGE模式,各种不同的模式对应不同的实际硬件系统,也将有不同的编译结果。
在51系列中data,idata,xdata,pdata的区别:
data:固定指前面0x00-0x7f的128个RAM,可以用acc直接读写的,速度最快,生成的代码也最小。
idata:固定指前面0x00-0xff的256个RAM,其中前128和data的128完全相同,只是因为访问的方式不同。idata是用类似C中的指针方式访问的。汇编中的语句为:mox ACC,@Rx.(不重要的补充:c中idata做指针式的访问效果很好)
xdata:外部扩展RAM,一般指外部0x0000-0xffff空间,用DPTR访问。
pdata:外部扩展RAM的低256个字节,地址出现在A0-A7的上时读写,用movx ACC,@Rx读写。这个比较特殊,而且C51好象有对此BUG,建议少用。但也有他的优点,具体用法属于中级问题,这里不提。
单片机C语言unsigned char code table[] code 是什么作用?
code的作用是告诉单片机,我定义的数据要放在ROM(程序存储区)里面,写入后就不能再更改,其实是相当与汇编里面的寻址MOVX(好像是),因为C语言中没办法详细描述存入的是ROM还是RAM(寄存器),所以在软件中添加了这一个语句起到代替汇编指令的作用,对应的还有data是存入RAM的意思。
程序可以简单的分为code(程序)区,和data (数据)区,code区在运行的时候是不可以更改的,data区放全局变量和临时变量,是要不断的改变的,cpu从code区读取指令,对data区的数据进行运算处理,因此code区存储在什么介质上并不重要,象以前的计算机程序存储在卡片上,code区也可以放在rom里面,也可以放在ram里面,也可以放在flash里面(但是运行速度要慢很多,主要读flash比读ram要费时间),因此一般的做法是要将程序放到flash里面,然后load到 ram里面运行的;DATA区就没有什么选择了,肯定要放在RAM里面,放到rom里面改动不了。
bdata如何使用它呢?
若程序需要8个或者更多的bit变量,如果你想一次性给8个变量赋值的话就不方便了,(举个例子说说它的方便之处,想更深入的了解请在应用中自己琢磨)又不可以定义bit数组,只有一个方法
char bdata MODE;
sbit MODE_7 = MODE^7;
sbit MODE_6 = MODE^6;
sbit MODE_5 = MODE^5;
sbit MODE_4 = MODE^4;
sbit MODE_3 = MODE^3;
sbit MODE_2 = MODE^2;
sbit MODE_1 = MODE^1;
sbit MODE_0 = MODE^0;
8个bit变量MODE_n 就定义好了
这是定义语句,Keilc 的特殊数据类型。记住一定要是sbit
不能 bit MODE_0 = MODE^0;
赋值语句要是这么写C语言就视为异或运算。
Flash相对单片机里的RAM属于外部存取器,虽其结构位置装在单片机中,其实xdata是放在相对RAM的外面,而flash正是相对RAM外面。
int a 变量定义在内部RAM,xdata int a 定义在外部RAM或flash,uchar code a 定义在flash。
uchar code duma[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40,0x00}; //共阴的数码管段选,P2口要取的数值
若定义 uchar aa[5],aa[5]中的内容是存放在数据存储区(RAM)中的,在程序运行工程中各个数组元素的值可以被修改,掉电后aa[5]中的数据无法保存。
若定义 uchar code bb[5]中的内容是存放在程序存储区(如flash)中的,只有在烧写程序时,才能改变bb[5]中的各元素的值,在程序运行工程中无法修改,并且掉电后bb[5]中的数据不消失。
八、C语言中堆和栈的区别
C语言程序经过编译连接后形成编译、连接后形成的二进制映像文件由栈、堆、数据段(由三部分部分组成:只读数据段,已经初始化读写数据段,未初始化数据段即BBS)和代码段组成,如下图所示:
1、栈区(stack):由编译器自动分配释放,存放函数的参数值,局部变量等值。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区(heap):一般由程序员分配释放,若程序员不释放,则可能会引起内存泄漏。注堆和数据结构中的堆栈不一样,其类是与链表。
3、程序代码区:存放函数体的二进制代码。
4、数据段:由三部分组成:
1)只读数据段:
只读数据段是程序使用的一些不会被更改的数据,使用这些数据的方式类似查表式的操作,由于这些变量不需要更改,因此只需要放置在只读存储器中即可。一般是const修饰的变量以及程序中使用的文字常量一般会存放在只读数据段中。
2)已初始化的读写数据段:
已初始化数据是在程序中声明,并且具有初值的变量,这些变量需要占用存储器的空间,在程序执行时它们需要位于可读写的内存区域内,并且有初值,以供程序运行时读写。在程序中一般为已经初始化的全局变量,已经初始化的静态局部变量(static修饰的已经初始化的变量)
3)未初始化段(BSS):
未初始化数据是在程序中声明,但是没有初始化的变量,这些变量在程序运行之前不需要占用存储器的空间。与读写数据段类似,它也属于静态数据区。但是该段中数据没有经过初始化。未初始化数据段只有在运行的初始化阶段才会产生,因此它的大小不会影响目标文件的大小。在程序中一般是没有初始化的全局变量和没有初始化的静态局部变量。
堆和栈的区别
1、申请方式
(1)栈(satck):由系统自动分配。例如,声明在函数中一个局部变量int b;系统自动在栈中为b开辟空间。
(2)堆(heap):需程序员自己申请(调用malloc,realloc,calloc),并指明大小,并由程序员进行释放。容易产生memory leak.
eg:char p;
p = (char *)malloc(sizeof(char)); //但是,p本身是在栈中。
2、申请大小的限制
1)栈:在windows下栈是向底地址扩展的数据结构,是一块连续的内存区域(它的生长方向与内存的生长方向相反)。栈的大小是固定的。如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。
2)堆:堆是高地址扩展的数据结构(它的生长方向与内存的生长方向相同),是不连续的内存区域。这是由于系统使用链表来存储空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由底地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。
3、系统响应:
1)栈:只要栈的空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。
2)堆:首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,但系统收到程序的申请时,会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后将该结点从空闲链表中删除,并将该结点的空间分配给程序,另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的free语句才能正确的释放本内存空间。另外,找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
说明:对于堆来讲,对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,
4、申请效率
1)栈由系统自动分配,速度快。但程序员是无法控制的
2)堆是由malloc分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生碎片,不过用起来最方便。
5、堆和栈中的存储内容
1)栈:在函数调用时,第一个进栈的主函数中后的下一条语句的地址,然后是函数的各个参数,参数是从右往左入栈的,然后是函数中的局部变量。注:静态变量是不入栈的。
当本次函数调用结束后,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存的地址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续执行。
2)堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。
6、存取效率
1)堆:char *s1=”hellow tigerjibo”;是在编译是就确定的
2)栈:char s1[]=”hellow tigerjibo”;是在运行时赋值的;用数组比用指针速度更快一些,指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下,而数组在栈上读取。
补充:
栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。
7、分配方式:
1)堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。
2)栈有两种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的。它的动态分配是由编译器进行释放,无需手工实现。
来源: eeworld.com
在单片机的开发应用中,已逐渐开始引入高级语言,C语言就是其中的一种。用惯了汇编的人,总觉得高级语言“可控性”不好,不如汇编那样随心所欲。以下是笔者在C51编程中的几点经验,希望对初学C51者有所帮助。
一、C51热启动代码的编制
工业控制计算机,往往设有看门狗电路,看门狗动作,计算机复位,这就是热启动。热启动时,一般不允许程序从头开始,因为这将使测量或计算值复位,导致系 统工作异常。故程序必须判断是热启动还是冷启动。常用的方法是:设定某内存单位为标志位(如0x7f位和0x7e位),启动时首先读该内存单元的内容,如 果它等于一个特定的值(例如两个内存单元的都是0xaa),就认为是热启动,否则就是冷启动,程序执行初始化部分,并将0xaa赋予这两个内存单元。
根据以上的设计思路,编程时,设置一个指针,指向特定的内存单元如0x7f,然后在程序中根据特定内存单元的值判断冷/热启动,程序如下:
void main() { char data*HotPoint=(char*)0x7f; if((*HotPoint==0xaa)&&(*(--Hot Point)==0xaa)) { /*热启动的处理 */ } else { HotPoint=0x7e; /*冷启动的处理 *HotPoint-0xaa; *(++HotPoint)=0xaa; } /*正常工作代码*/ }
实际调试中发现,无论是热启动还是冷启动,开机后所有内存单元的值都被复位为0,实现不了热启动的要求。这是为什么呢?原来,用C语言编程时,开机时执 行的代码并非是从main()函数的第一语句开始的,在main()函数的第一语句执行前要先执行一段‘起始代码’。正是这段代码执行了内存清零的工作。 C编译程序提供了这段起始代码的源程序,名为CSTARTUP A51,打开这个文件,可以看到如下代码:
IDATALEN EQU 8011 the length of IDATA memory m bytes STARTUP1: IF IDATALEN《》0 MOV R0,#IDATALEN-I CLR A IDATALOOP: MOV @R0,A DJNZ R0,IDATALOOP ENDIF
可见,在执行到判断是否热启动的代码之前,起始代码已将所有内存单元清零。如何解决这个问题呢?好在起始代码是可以更改的,方法是:修改 startup.a51源文件,然后用编译程序所附带的a51.exe程序对startup.a51编译,得到startup.obj文件,用这段代码代 替原来的起始代码。具体步骤是(设C源程序名为HOTSTART C):
1 修改startup.a51源文件(这个文件在C51/LIB目录下)。
2 执行如下命令:
A51 startup.a51得到startup.obj文件。将此文件拷入HOTSTART C所在目录。
3 将编好的C源程序用C51 EXE编译好,得到目标文件HOTSTART OBJ。
4 用L51 HOTSTART,STARTUP OBJ命令连接,得到绝对目标文件HOTSTART。
5 用OHS51 HOTSTART得到HOTSTART HEX文件,即可完成启动代码的修改。
对于startup.a51的修改,根据自己的需要进行,如将IDATALEN EQU 80H中的80H改为70H,就可以使6F到7F的16字节内存不被清零。
二、直接调用EPROM中已固化的程序
笔者用的仿真机,由6位数码管显示,在DE00H处存放显示子程序,只要将显示的数存入显示缓冲区,然后调用显示子程序就可以了,汇编指令为:
LCALL 0DE00H
在用C语言编程时,如何实现这一功能呢?C语言中有指向函数的指针这一概念,可以用来实现用函数指针调用函数。指向函数的指针变量的定义格式为:
类型标识符(*指针变量名)();
在定义好指针后就可以给指针变量赋值,使其指向某个函数的开始地址,然后用(*指针变量名)()即可调用这个函数。程序如下例:
void main(void) { void (*DispBuffer)();/*定义指向函数指针*/ DispBuffer=0xde00; /*赋值*/ for(;;) { Key(); DispBuffer(); } }
三、将浮点数转化为字符数组
笔者在编制应用程序时有这样的要求:将运算的结果(浮点数)存入E2PROM中。我们知道,浮点数在C语言中是以IEEE格式存储的,一个浮点数占四个 字节。例如浮点数34 526存为160、26、10、664个数。要将该浮点数存入E2PROM,实际上就是要存这四个数。如何在程序中得到一个浮点数 的组成数呢?
浮点数在存储时,是存储在连续的字节中的,只要设法找到存储位置,就可以得到这些数了。可以定义一个void指针,将此指针指向需要存储的浮点数,然后再将此指针强制转化为char型。这样,利用指针就可以得到组成该浮点数的各个字节的值了。具体程序如下:
#define uchar unsigned char #define uint unsigned int void FtoC(void) { float a; uchar I,*px uchar x[4];/*定义字符数组,准备存储浮点数的四个字节*/ void *pf; px=x; /*px指针指向数组x*/ pf=&a;/*void型指针指向浮点数首地址*/ a=34.526; for(I=0;I《4;I++) { *(px+I)=*((char *)pf+I);/*强制void型指针转成char型,因为void型指针不能运算*/ } }
如果已将数存入E2PROM,要将其取出合并,方法也是一样,可参考下面的程序。
#define uchar unsigned char #define uint unsigned int void CtoF(void) { float a; uchar I,*px uchar x[4]-{56,180,150,73}; void *pf; px=x; pf=&a; for(I=o;I《4;I++) { *((char *)pf+I)=*(px+I) } }
以上程序所用C语言为FRANKLIN C51 VER 3 2。
来源: 电子发烧友
MCU中的特殊功能寄存器SFR,实际上就是SRAM地址已经确定的SRAM单元,在C语言环境下对其访问归纳起来有3种方法。
1.对C编译器进行语法扩充
对C编译器进行语法扩充。例如MCS51系列单片机的C-51语法中扩充了sfr关键字,举例如下:
sfr P0 = 0x80;
这样操作0x80单元直接写P0即可。
又如Atmel的AVR系列单片机,其ICCAVR和GCCAVR编译器都没有定义新的数据类型,只能采用标准C的强制类型转换和指针来实现访问MCU的寄存器。而IAR和CodeVisionAVR编译器对ANSI C进行了扩充,定义了新的数据类型,使C语言可以直接访问MCU的有关寄存器,例如在IAR中可以使用:
SFR_B(DDRB, 0x28);
CodeVisionAVR中可以使用:
sfrb DDRB = 0x28;
2.使用标准C的强制类型转换和指针来实现
采用标准C的强制转换和指针的概念来实现访问MCU的寄存器,例如:
#define DDRB (*(volatile unsigned char *)0x25)
分析如下:
1.(unsigned char *)0x25中的0x25只是个值,前面加(unsigned char *)表示把这个值强制类型转换为unsigned char型的指针。再在前面加”*”,即*(volatile unsigned char *)0x25表示对这个指针解引用,相当于
(unsigned char *)0x25是一个指针p,而这个宏定义为#define DDRB *p。
这样当读/写以0x25为地址的寄存器时,直接书写DDRB即可,即写:
DDRB = 0xff;
相当于:
unsigned char *p, i;
p = 0x25;
i = *p; //把地址为0x25单元中的数据读出送入i变量
*p = 0xff; //向地址为0x25的单元中写入0xff
这样经过一层宏定义的封装就变得直观和方便的多了。
2.关键字volatile确保本指令不会以为C编译器的优化而被省略,且要求每次直接读值。例如使用while(*(unsigned char *)0x25)时,有时系统可能不能真正去读0x25的值,而是用第一次读出的值,如果这样,这个循环可能就是个死循环。用了volatile则要求每次都去读0x25的实际值。
GCCAVR工具链中就使用了这样的方式,例如在iomx8.h文件中一个定义如下:
#define PORTB _SFR_IO8(0x25)
而在sfr_defs.h中可以找到如下两个宏定义:
#define _SFR_IO8(io_addr) _MMIO_BYTE((io_addr)+0x20)
#define _MMIO_BYTE(mem_addr) (*(volatile unit8_t *)(mem_addr))
实质上与直接的强制类型转换和指针定义是一样的。
3.使用结构体实现
使用指针的方式来访问特殊功能寄存器的优势在于完全符合标准的ANSI-C,而无需扩展语法,形成“方言”,拥有更好的兼容性和可移植性。
这种方式适合简单的应用程序,而当系统用到多个同种外设时,就需要为每一个这种外设定义寄存器,这样就会使程序的维护变得非常困难。而且,由于每次寄存器操作都会有对应的常量存储在程序Flash里,为每个寄存器定义单独的指针还会增加程序代码。
为了简化程序代码,可以将寄存器组定义为结构体,而将外设当做指向这个结构体的指针。例如:
typedef struct {
volatile unsigned long DATA; //0x00
volatile unsigned long RSR; //0x04
unsigned long RESERVED0[4]; //0x08-0x14
volatile unsigned long FLAG; //0x18
...
}UART_TypeDef;
#define Uart0 ((UART_Type *)0x40003000)
#define Uart1 ((UART_Type *)0x40004000)
#define Uart2 ((UART_Type *)0x40005000)
int getkey(UART_TypeDef * uartptr)
{
while((uartptr->FLAG & 0x40) == 0); //无数据,等待
return uartptr->DATA; // 读取字符
}
int main(void)
{
unsigned long data;
data = getkey(Uart0);
}
在这种设定下,同一个外设寄存器的结构体可以被多个外设实体共用,这样也使得程序维护变得容易。另外,由于立即数存储的减少,编译出的程序代码也会变小。
参考:
- http://blog.csdn.net/liming0931/article/details/7752248
- 《ARM Cortex-M0 权威指南》Joseph 著
来源: bill_20106029的博客
在使用C语言编程时延时程序是非常常见的,但是实现一个精确的延时是不太容易的,在给一个朋友的公司产品做维护时,发现一段代码,可以实现微妙级的延时。看起来代码非常简单。但是我以前没有想到过。我们一起来看看这段代码。
//-----------------------------------------------------------------------------
// Delay_us
//-----------------------------------------------------------------------------
//
// Return Value : None
// Parameters : 1. time_us - time delay in microseconds
// range: 1 to 255
//
// Creates a delay for the specified time (in microseconds) using TIMER2. The
// time tolerance is approximately +/-50 ns (1/SYSCLK + function call time).
//
//-----------------------------------------------------------------------------
void Delay_us (unsigned char time_us)
{
unsigned long int TM_LODAE;
TR2 = 0; // Stop timer
TF2H = 0; // Clear timer overflow flag
TM_LODAE = 65535-(UINT)(SYSCLK/1000000) * (UINT)(time_us);
// TMR2 = -( (UINT)(SYSCLK/1000000) * (UINT)(time_us) );
TMR2H = TM_LODAE>>8;
TMR2L = TM_LODAE&0x00FF;
TR2 = 1; // Start timer
while (!TF2H); // Wait till timer overflow occurs
TR2 = 0; // Stop timer
}
前面一起住航分析一下该代码
unsigned long int TM_LODAE; 声明一个长整型数据
TR2 = 0; 定时器2停止计时
TF2H = 0; 清除定时器2中断标志
TM_LODAE = 65535-(UINT)(SYSCLK/1000000) * (UINT)(time_us); 计算定时器的初值。 SYSCLK是系统的晶振频率,SYSCLK/1000000是系统 1uS 执行的指令数。 (UINT)(SYSCLK/1000000) * (UINT)(time_us)就是系统 time_us执行的指令数。 65535-(UINT)(SYSCLK/1000000) * (UINT)(time_us)定时器需要 TM_LODAE指令周期才会溢出。该单片机的一个指令周期就是一个时钟周期
TMR2H = TM_LODAE>>8; TMR2L = TM_LODAE&0x00FF;置定时器寄存器的初值
TR2 = 1; 启动单片机计时
while (!TF2H); 等待定时器2寄存器溢出
TR2 = 0;停止计时
在这段代码注释中已经说明了应该有50nS的误差,这个是函数调用产生的。这段代码在需要精确定时的场合非常实用。
来源:网络(版权归原著作者所有)
1、河内之塔
说明河内之塔(Towers of Hanoi)是法国人M.Claus(Lucas)于1883年从泰国带至法国的,河内为越战时北越的首都,即现在的胡志明市;1883年法国数学家 Edouard Lucas曾提及这个故事,据说创世纪时Benares有一座波罗教塔,是由三支钻石棒(Pag)所支撑,开始时神在第一根棒上放置64个由上至下依由小至大排列的金盘(Disc),并命令僧侣将所有的金盘从第一根石棒移至第三根石棒,且搬运过程中遵守大盘子在小盘子之下的原则,若每日仅搬一个盘子,则当盘子全数搬运完毕之时,此塔将毁损,而也就是世界末日来临之时。
解法如果柱子标为ABC,要由A搬至C,在只有一个盘子时,就将它直接搬至C,当有两个盘子,就将B当作辅助柱。如果盘数超过2个,将第三个以下的盘子遮起来,就很简单了,每次处理两个盘子,也就是:A->B、A ->C、B->C这三个步骤,而被遮住的部份,其实就是进入程式的递回处理。事实上,若有n个盘子,则移动完毕所需之次数为2^n - 1,所以当盘数为64时,则所需次数为:264- 1 = 18446744073709551615为5.05390248594782e+16年,也就是约5000世纪,如果对这数字没什幺概念,就假设每秒钟搬一个盘子好了,也要约5850亿年左右。
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/************************************************************************/
/* 汉诺塔问题 */
/************************************************************************/
void Hanoi(int n,char A,char B,char C)
{
if(n == 1)
{
printf("Move sheet %d from %c to %c \n",n,A,C);
}
else
{
Hanoi(n-1,A,C,B);
printf("Move sheet %d from %c to %c \n",n,A,B);
Hanoi(n-1,B,A,C);
}
}
2、费式数列
说明
Fibonacci为1200年代的欧洲数学家,在他的着作中曾经提到:「若有一只免子每个月生一只小免子,一个月后小免子也开始生产。起初只有一只免子,一个月后就有两只免子,二个月后有三只免子,三个月后有五只免子(小免子投入生产)......。
如果不太理解这个例子的话,举个图就知道了,注意新生的小免子需一个月成长期才会投入生产,类似的道理也可以用于植物的生长,这就是Fibonacci数列,一般习惯称之为费氏数列,例如以下: 1、1 、2、3、5、8、13、21、34、55、89......
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/************************************************************************/
/* fibonacci数列 */
/************************************************************************/
void fibonacci()
{
int Fib[N] = {0};
int i = 0;
Fib[0] = 0;
Fib[1] = 1;
for(i = 2; i < N; i++)
Fib[i] = Fib[i-1] + Fib[i-2];
for(i = 1; i < N; i++)
printf("%d ",Fib[i]);
printf("\n");
}
3、字串核对
说明今日的一些高阶程式语言对于字串的处理支援越来越强大(例如Java、Perl等),不过字串搜寻本身仍是个值得探讨的课题,在这边以Boyer- Moore法来说明如何进行字串说明,这个方法快且原理简洁易懂。
解法字串搜寻本身不难,使用暴力法也可以求解,但如何快速搜寻字串就不简单了,传统的字串搜寻是从关键字与字串的开头开始比对,例如Knuth-Morris-Pratt演算法字串搜寻,这个方法也不错,不过要花时间在公式计算上;Boyer-Moore字串核对改由关键字的后面开始核对字串,并制作前进表,如果比对不符合则依前进表中的值前进至下一个核对处,假设是p好了,然后比对字串中p-n+1至p的值是否与关键字相同。
如果关键字中有重复出现的字元,则前进值就会有两个以上的值,此时则取前进值较小的值,如此就不会跳过可能的位置,例如texture这个关键字,t的前进值应该取后面的3而不是取前面的7。
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#include
#include
#include
void table(char*); // 建立前进表
int search(int, char*, char*); // 搜寻关键字
void substring(char*, char*, int, int); // 取出子字串
int skip[256];
int main(void) {
char str_input[80];
char str_key[80];
char tmp[80] = {'\0'};
int m, n, p;
printf("请输入字串:");
gets(str_input);
printf("请输入搜寻关键字:");
gets(str_key);
m = strlen(str_input); // 计算字串长度
n = strlen(str_key);
table(str_key);
p = search(n-1, str_input, str_key);
while(p != -1) {
substring(str_input, tmp, p, m);
printf("%s\n", tmp);
p = search(p+n+1, str_input, str_key);
}
printf("\n");
return 0;
}
void table(char *key) {
int k, n;
n = strlen(key);
for(k = 0; k <= 255; k++)
skip[k] = n;
for(k = 0; k < n - 1; k++)
skip[key[k]] = n - k - 1;
}
int search(int p, char* input, char* key) {
int i, m, n;
char tmp[80] = {'\0'};
m = strlen(input);
n = strlen(key);
while(p < m) {
substring(input, tmp, p-n+1, p);
if(!strcmp(tmp, key)) // 比较两字串是否相同
return p-n+1;
p += skip[input[p]];
}
return -1;
}
void substring(char *text, char* tmp, int s, int e) {
int i, j;
for(i = s, j = 0; i <= e; i++, j++)
mp[j] = text[i];
tmp[j] = '\0';
}
4、三色棋
三色旗的问题最早由E.W.Dijkstra所提出,他所使用的用语为Dutch Nation Flag(Dijkstra为荷兰人),而多数的作者则使用Three-ColorFlag来称之。
假设有一条绳子,上面有红、白、蓝三种颜色的旗子,起初绳子上的旗子颜色并没有顺序,您希望将之分类,并排列为蓝、白、红的顺序,要如何移动次数才会最少,注意您只能在绳子上进行这个动作,而且一次只能调换两个旗子。
解法
在一条绳子上移动,在程式中也就意味只能使用一个阵列,而不使用其它的阵列来作辅助,问题的解法很简单,您可以自己想像一下在移动旗子,从绳子开头进行,遇到蓝色往前移,遇到白色留在中间,遇到红色往后移,如下所示:
只是要让移动次数最少的话,就要有些技巧:
如果图中W所在的位置为白色,则W+1,表示未处理的部份移至至白色群组。
如果W部份为蓝色,则B与W的元素对调,而B与W必须各+1,表示两个群组都多了一个元素。
如果W所在的位置是红色,则将W与R交换,但R要减1,表示未处理的部份减1。
注意B、W、R并不是三色旗的个数,它们只是一个移动的指标;什幺时候移动结束呢?一开始时未处理的R指标会是等于旗子的总数,当R的索引数减至少于W的索引数时,表示接下来的旗子就都是红色了,此时就可以结束移动,如下所示:
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#include
#include
#include
#define BLUE 'b'
#define WHITE 'w'
#define RED 'r'
#define SWAP(x, y) { char temp; \
temp = color[x]; \
color[x] = color[y]; \
color[y] = temp; }
int main() {
char color[] = {'r', 'w', 'b', 'w', 'w',
'b', 'r', 'b', 'w', 'r', '\0'};
int wFlag = 0;
int bFlag = 0;
int rFlag = strlen(color) - 1;
int i;
for(i = 0; i < strlen(color); i++)
printf("%c ", color[i]);
printf("\n");
while(wFlag <= rFlag) {
if(color[wFlag] == WHITE)
wFlag++;
else if(color[wFlag] == BLUE) {
SWAP(bFlag, wFlag);
bFlag++; wFlag++;
}
else {
while(wFlag < rFlag && color[rFlag] == RED)
rFlag--;
SWAP(rFlag, wFlag);
rFlag--;
}
}
for(i = 0; i < strlen(color); i++)
printf("%c ", color[i]);
printf("\n");
return 0;
}
5、老鼠走迷官(一)
说明老鼠走迷宫是递回求解的基本题型,我们在二维阵列中使用2表示迷宫墙壁,使用1来表示老鼠的行走路径,试以程式求出由入口至出口的路径。
解法老鼠的走法有上、左、下、右四个方向,在每前进一格之后就选一个方向前进,无法前进时退回选择下一个可前进方向,如此在阵列中依序测试四个方向,直到走到出口为止,这是递回的基本题,请直接看程式应就可以理解。
[cpp] view plain copy print?
#include
#include
int visit(int, int);
int maze[7][7] = {{2, 2, 2, 2, 2, 2, 2},
{2, 0, 0, 0, 0, 0, 2},
{2, 0, 2, 0, 2, 0, 2},
{2, 0, 0, 2, 0, 2, 2},
{2, 2, 0, 2, 0, 2, 2},
{2, 0, 0, 0, 0, 0, 2},
{2, 2, 2, 2, 2, 2, 2}};
int startI = 1, startJ = 1; // 入口
int endI = 5, endJ = 5; // 出口
int success = 0;
int main(void) {
int i, j;
printf("显示迷宫:\n");
for(i = 0; i < 7; i++) {
for(j = 0; j < 7; j++)
if(maze[i][j] == 2)
printf("█");
else
printf(" ");
printf("\n");
}
if(visit(startI, startJ) == 0)
printf("\n没有找到出口!\n");
else {
printf("\n显示路径:\n");
for(i = 0; i < 7; i++) {
for(j = 0; j < 7; j++) {
if(maze[i][j] == 2)
printf("█");
else if(maze[i][j] == 1)
printf("◇");
else
printf(" ");
}
printf("\n");
}
}
return 0;
}
int visit(int i, int j) {
maze[i][j] = 1;
if(i == endI && j == endJ)
success = 1;
if(success != 1 && maze[i][j+1] == 0) visit(i, j+1);
if(success != 1 && maze[i+1][j] == 0) visit(i+1, j);
if(success != 1 && maze[i][j-1] == 0) visit(i, j-1);
if(success != 1 && maze[i-1][j] == 0) visit(i-1, j);
if(success != 1)
maze[i][j] = 0;
return success;
}
6、老鼠走迷官(二)
说明由于迷宫的设计,老鼠走迷宫的入口至出口路径可能不只一条,如何求出所有的路径呢?
解法求所有路径看起来复杂但其实更简单,只要在老鼠走至出口时显示经过的路径,然后退回上一格重新选择下一个位置继续递回就可以了,比求出单一路径还简单,我们的程式只要作一点修改就可以了。
[cpp] view plain copy print?
#include
#include
void visit(int, int);
int maze[9][9] = {{2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2},
{2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 2},
{2, 0, 2, 2, 0, 2, 2, 0, 2},
{2, 0, 2, 0, 0, 2, 0, 0, 2},
{2, 0, 2, 0, 2, 0, 2, 0, 2},
{2, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 2},
{2, 2, 0, 2, 2, 0, 2, 2, 2},
{2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 2},
{2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2}};
int startI = 1, startJ = 1; // 入口
int endI = 7, endJ = 7; // 出口
int main(void) {
int i, j;
printf("显示迷宫:\n");
for(i = 0; i < 7; i++) {
for(j = 0; j < 7; j++)
if(maze[i][j] == 2)
printf("█");
else
printf(" ");
printf("\n");
}
visit(startI, startJ);
return 0;
}
void visit(int i, int j) {
int m, n;
maze[i][j] = 1;
if(i == endI && j == endJ) {
printf("\n显示路径:\n");
for(m = 0; m < 9; m++) {
for(n = 0; n < 9; n++)
if(maze[m][n] == 2)
printf("█");
else if(maze[m][n] == 1)
printf("◇");
else
printf(" ");
printf("\n");
}
}
if(maze[i][j+1] == 0) visit(i, j+1);
if(maze[i+1][j] == 0) visit(i+1, j);
if(maze[i][j-1] == 0) visit(i, j-1);
if(maze[i-1][j] == 0) visit(i-1, j);
maze[i][j] = 0;
}
7、骑士走棋盘
说明骑士旅游(Knight tour)在十八世纪初倍受数学家与拼图迷的注意,它什么时候被提出已不可考,骑士的走法为西洋棋的走法,骑士可以由任一个位置出发,它要如何走完[所有的位置?
解法骑士的走法,基本上可以使用递回来解决,但是纯綷的递回在维度大时相当没有效率,一个聪明的解法由J.C. Warnsdorff在1823年提出,简单的说,先将最难的位置走完,接下来的路就宽广了,骑士所要走的下一步,「为下一步再选择时,所能走的步数最少的一步。」,使用这个方法,在不使用递回的情况下,可以有较高的机率找出走法(找不到走法的机会也是有的)。
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#include
int board[8][8] = {0};
int travel(int x, int y) {
// 对应骑士可走的八个方向
int ktmove1[8] = {-2, -1, 1, 2, 2, 1, -1, -2};
int ktmove2[8] = {1, 2, 2, 1, -1, -2, -2, -1};
// 测试下一步的出路
int nexti[8] = {0};
int nextj[8] = {0};
// 记录出路的个数
int exists[8] = {0};
int i, j, k, m, l;
int tmpi, tmpj;
int count, min, tmp;
i = x;
j = y;
board[i][j] = 1;
for(m = 2; m <= 64; m++) {
for(l = 0; l < 8; l++)
exists[l] = 0;
l = 0;
// 试探八个方向
for(k = 0; k < 8; k++) {
tmpi = i + ktmove1[k];
tmpj = j + ktmove2[k];
// 如果是边界了,不可走
if(tmpi < 0 || tmpj < 0 || tmpi > 7 || tmpj > 7)
continue;
// 如果这个方向可走,记录下来
if(board[tmpi][tmpj] == 0) {
nexti[l] = tmpi;
nextj[l] = tmpj;
// 可走的方向加一个
l++;
}
}
count = l;
// 如果可走的方向为0个,返回
if(count == 0) {
return 0;
}
else if(count == 1) {
// 只有一个可走的方向
// 所以直接是最少出路的方向
min = 0;
}
else {
// 找出下一个位置的出路数
for(l = 0; l < count; l++) {
for(k = 0; k < 8; k++) {
tmpi = nexti[l] + ktmove1[k];
tmpj = nextj[l] + ktmove2[k];
if(tmpi < 0 || tmpj < 0 ||
tmpi > 7 || tmpj > 7) {
continue;
}
if(board[tmpi][tmpj] == 0)
exists[l]++;
}
}
tmp = exists[0];
min = 0;
// 从可走的方向中寻找最少出路的方向
for(l = 1; l < count; l++) {
if(exists[l] < tmp) {
tmp = exists[l];
min = l;
}
}
}
// 走最少出路的方向
i = nexti[min];
j = nextj[min];
board[i][j] = m;
}
return 1;
}
int main(void) {
int startx, starty;
int i, j;
printf("输入起始点:");
scanf("%d %d", &startx, &starty);
if(travel(startx, starty)) {
printf("游历完成!\n");
}
else {
printf("游历失败!\n");
}
for(i = 0; i < 8; i++) {
for(j = 0; j < 8; j++) {
printf("%2d ", board[i][j]);
}
putchar('\n');
}
return 0;
}
8、八皇后
说明西洋棋中的皇后可以直线前进,吃掉遇到的所有棋子,如果棋盘上有八个皇后,则这八个皇后如何相安无事的放置在棋盘上,1970年与1971年, E.W.Dijkstra与N.Wirth曾经用这个问题来讲解程式设计之技巧。
解法关于棋盘的问题,都可以用递回求解,然而如何减少递回的次数?在八个皇后的问题中,不必要所有的格子都检查过,例如若某列检查过,该该列的其它格子就不用再检查了,这个方法称为分支修剪。
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#include
#include
#define N 8
int column[N+1]; // 同栏是否有皇后,1表示有
int rup[2*N+1]; // 右上至左下是否有皇后
int lup[2*N+1]; // 左上至右下是否有皇后
int queen[N+1] = {0};
int num; // 解答编号
//void backtrack(int); // 递回求解
void showAnswer() {
int x, y;
printf("\n解答 %d\n", ++num);
for(y = 1; y <= N; y++) {
for(x = 1; x <= N; x++) {
if(queen[y] == x) {
printf(" Q");
}
else {
printf(" .");
}
}
printf("\n");
}
}
void backtrack(int i) {
int j;
if(i > N) {
showAnswer();
}
else {
for(j = 1; j <= N; j++) {
if(column[j] == 1 &&
rup[i+j] == 1 && lup[i-j+N] == 1) {
queen[i] = j;
// 设定为占用
column[j] = rup[i+j] = lup[i-j+N] = 0;
backtrack(i+1);
column[j] = rup[i+j] = lup[i-j+N] = 1;
}
}
}
}
int main(void) {
int i;
num = 0;
for(i = 1; i <= N; i++)
column[i] = 1;
for(i = 1; i <= 2*N; i++)
rup[i] = lup[i] = 1;
backtrack(1);
return 0;
}
9、八枚银币
说明现有八枚银币a b c d e f g h,已知其中一枚是假币,其重量不同于真币,但不知是较轻或较重,如何使用天平以最少的比较次数,决定出哪枚是假币,并得知假币比真币较轻或较重。
解法单就求假币的问题是不难,但问题限制使用最少的比较次数,所以我们不能以单纯的回圈比较来求解,我们可以使用决策树(decision tree),使用分析与树状图来协助求解。一个简单的状况是这样的,我们比较a+b+c与d+e+f ,如果相等,则假币必是g或h,我们先比较g或h哪个较重,如果g较重,再与a比较(a是真币),如果g等于a,则g为真币,则h为假币,由于h比g轻而 g是真币,则h假币的重量比真币轻。
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#include
#include
#include
void compare(int[], int, int, int);
void eightcoins(int[]);
int main(void) {
int coins[8] = {0};
int i;
srand(time(NULL));
for(i = 0; i < 8; i++)
coins[i] = 10;
printf("\n输入假币重量(比10大或小):");
scanf("%d", &i);
coins[rand() % 8] = i;
eightcoins(coins);
printf("\n\n列出所有钱币重量:");
for(i = 0; i < 8; i++)
printf("%d ", coins[i]);
printf("\n");
return 0;
}
void compare(int coins[], int i, int j, int k) {
if(coins[i] > coins[k])
printf("\n假币 %d 较重", i+1);
else
printf("\n假币 %d 较轻", j+1);
}
void eightcoins(int coins[]) {
if(coins[0]+coins[1]+coins[2] ==
coins[3]+coins[4]+coins[5]) {
if(coins[6] > coins[7])
compare(coins, 6, 7, 0);
else
compare(coins, 7, 6, 0);
}
else if(coins[0]+coins[1]+coins[2] >
coins[3]+coins[4]+coins[5]) {
if(coins[0]+coins[3] == coins[1]+coins[4])
compare(coins, 2, 5, 0);
else if(coins[0]+coins[3] > coins[1]+coins[4])
compare(coins, 0, 4, 1);
if(coins[0]+coins[3] < coins[1]+coins[4])
compare(coins, 1, 3, 0);
}
else if(coins[0]+coins[1]+coins[2] <
coins[3]+coins[4]+coins[5]) {
if(coins[0]+coins[3] == coins[1]+coins[4])
compare(coins, 5, 2, 0);
else if(coins[0]+coins[3] > coins[1]+coins[4])
compare(coins, 3, 1, 0);
if(coins[0]+coins[3] < coins[1]+coins[4])
compare(coins, 4, 0, 1);
}
}
10、生命游戏
说明生命游戏(game of life)为1970年由英国数学家J. H. Conway所提出,某一细胞的邻居包括上、下、左、右、左上、左下、右上与右下相邻之细胞,游戏规则如下:
孤单死亡:如果细胞的邻居小于一个,则该细胞在下一次状态将死亡。
拥挤死亡:如果细胞的邻居在四个以上,则该细胞在下一次状态将死亡。
稳定:如果细胞的邻居为二个或三个,则下一次状态为稳定存活。
复活:如果某位置原无细胞存活,而该位置的邻居为三个,则该位置将复活一细胞。
解法生命游戏的规则可简化为以下,并使用CASE比对即可使用程式实作:
邻居个数为0、1、4、5、6、7、8时,则该细胞下次状态为死亡。
邻居个数为2时,则该细胞下次状态为复活。
邻居个数为3时,则该细胞下次状态为稳定。
[cpp] view plain copy print?
#include
#include
#include
#define MAXROW 10
#define MAXCOL 25
#define DEAD 0
#define ALIVE 1
int map[MAXROW][MAXCOL], newmap[MAXROW][MAXCOL];
void init();
int neighbors(int, int);
void outputMap();
void copyMap();
int main() {
int row, col;
char ans;
init();
while(1) {
outputMap();
for(row = 0; row < MAXROW; row++) {
for(col = 0; col < MAXCOL; col++) {
switch (neighbors(row, col)) {
case 0:
case 1:
case 4:
case 5:
case 6:
case 7:
case 8:
newmap[row][col] = DEAD;
break;
case 2:
newmap[row][col] = map[row][col];
break;
case 3:
newmap[row][col] = ALIVE;
break;
}
}
}
copyMap();
printf("\nContinue next Generation ? ");
getchar();
ans = toupper(getchar());
if(ans != 'Y') break;
}
return 0;
}
void init() {
int row, col;
for(row = 0; row < MAXROW; row++)
for(col = 0; col < MAXCOL; col++)
map[row][col] = DEAD;
puts("Game of life Program");
puts("Enter x, y where x, y is living cell");
printf("0 <= x <= %d, 0 <= y <= %d\n",
MAXROW-1, MAXCOL-1);
puts("Terminate with x, y = -1, -1");
while(1) {
scanf("%d %d", &row, &col);
if(0 <= row && row < MAXROW &&
0 <= col && col < MAXCOL)
map[row][col] = ALIVE;
else if(row == -1 || col == -1)
break;
else
printf("(x, y) exceeds map ranage!");
}
}
int neighbors(int row, int col) {
int count = 0, c, r;
for(r = row-1; r <= row+1; r++)
for(c = col-1; c <= col+1; c++) {
if(r < 0 || r >= MAXROW || c < 0 || c >= MAXCOL)
continue;
if(map[r][c] == ALIVE)
count++;
}
if(map[row][col] == ALIVE)
count--;
return count;
}
void outputMap() {
int row, col;
printf("\n\n%20cGame of life cell status\n");
for(row = 0; row < MAXROW; row++) {
printf("\n%20c", ' ');
for(col = 0; col < MAXCOL; col++)
if(map[row][col] == ALIVE) putchar('#');
else putchar('-');
}
}
void copyMap() {
int row, col;
for(row = 0; row < MAXROW; row++)
for(col = 0; col < MAXCOL; col++)
map[row][col] = newmap[row][col];
}
文章来源:牟尼的博客