C语言教程之二十：堆和链表 作者:xieaotian发表于2010-01-31 14:52:39
堆是一种动态存储结构，实际上就是数据段中的自由存储区，它是C语言中使用的一种名称，常常用于动态数据的存储分配。将若干个数据项按一定的原则前后链接起来，没有数据项都有一个指向下一个数据的指针，则这些数据项靠指针链成一个表，最后的一个数据没有指针(指针为NULL)，这就是链表。
我们经常在题目中有要求，输入一个整数，然后以这个整数作为数组的元素个数，下面的程序代码是错误的。
int n,array[n];
scanf("%d",&n);
在Turbo C中，不允许出现动态数组。那么如果必须需要这样时，就只能使用链表了。
一、堆
堆是一种动态存储结构，实际上就是数据段中的自由存储区，它是C语言中使用的一种名称，常常用于动态数据的存储分配。堆中存入一数据，总是以2 字节的整数倍进行分配，地址向增加方向变动。堆可以不断进行分配直到没有堆空间为止，也可以随时进行释放、再分配，不存在次序问题。
所谓动态数组是指在程序运行期间确定其大小的，如常用到的动态数组，它们是在程序执行过程中动态进行变化的，即在程序开始部分没有说明大小，只有在程序运行期间用堆的分配函数为其分配存储空间，分配的大小可根据需要而定，这些数据使用过后，可释放它们占用的堆空间，并可进行再分配。
堆和栈在使用时相向生长，栈向上生长，即向小地址方向生长，而堆向下增长，即向大地址方向，其间剩余部分是自由空间。使用过程中要防止增长过度而导致覆盖。
一般的程序我们都是使用小内存模式，它的内存分配如下：
________________
| 代码段 |
|————————|
| 数据段 |
|————————|
| BSS段 |
|————————|
| 堆 |
|----------------| 自由空间
|----------------|
| 栈 |
|————————|
| 远堆 |
|----------------|
|________________| 自由空间
在堆和栈之间、以及远堆地址的后面都是自由空间，总共是64K。
堆管理函数：
1.得到堆和栈之间的自由空间大小的函数
小数据内存模式：unsigned coreleft(void);
大数据内存模式：unsigned long coreleft(void);
对于远堆，可以用farcoreleft()函数。
2.分配一个堆空间函数
void malloc (unsigned size);
该函数将分配一个大小为size字节的堆空间，并返回一个指向这个空间的指针。由于这个指针是void型的，因此当将它赋给其他类型的指针时，必须对该指针进行强制类型转换。例如info是一个结构类型指针，即：
struct addr *info;
将由malloc()函数返回的指针赋给info时，必须进行类型转换：
info=(struct addr *)malloc (sizeof(record));
malloc()函数所分配的堆空间将不进行初始化。在调用malloc()函数时，若当时没有可用的内存空间，该函数便返回一个NULL指针。
3.分配一个堆空间，其大小为能容纳几个元素，没有元素长度为size的函数
void calloc(unsigned n,unsigned size);
该函数将分配一个容量为n*size大小的堆空间，并用0初始化分配的空间。该函数将返回一个指向分配空间的指针，没有空间可用时，则返回一个NULL指针。
4.重新分配堆空间函数
void *realloc(void *ptr,unsigned newsize);
该函数将对由ptr指向的堆空间重新分配，大小变为newsize。
5.释放堆空间函数
void free(void *ptr);
下面举一个关于堆和栈的综合例子：
void push(int);
int pop();
int *pi,*tos;
main()
{
int v;
pi=(int *)malloc(50*sizeof(int));
if(!pi)
{
printf("allocation failure\n");
exit(0);
}
tos=pi;
do
{
printf("please input value,push it;enter 0 then pop;(enter -1 then stop)\n");
scanf("%d",&v);
if(v!=0) push(v);
else printf("pop this is it %d\n",pop());
}
while(v!=-1);
}
void push(int i)
{
pi++;
if(pi==(tos+50))
{
printf("stack overflow\n");
exit(0);
}
*pi=i;
}
int pop()
{
if(pi==tos)
{
printf("stack underflow\n");
exit(0);
}
pi--;
return *(pi+1);
}
程序分配100字节的堆空间，转换成int型赋给pi，当pi为NULL时，表示没有可用的空间了，则显示allocation failure。输入一个整数，压入栈中，当超过50时，则显示stack overflow.当输入0时，则把栈中的数据弹出。这个程序也演示了栈的后进先出的特点。
二、链表
堆是用来存储动态数据的。动态数据最典型的例子就是链表。
形象的说：将若干个数据项按一定的原则前后链接起来，没有数据项都有一个指向下一个数据的指针，则这些数据项靠指针链成一个表，最后的一个数据没有指针(指针为NULL)，这就是链表。可以看出链表放在存储器中，并不一定象数组一样，连续存放，也可以分开存放。由于链的各节点均带有指向下一个节点的地址，因而要找到某个节点，必须要找到上一个节点，如此类推，则可由第一个节点出发找到目的点。链表在数据库建立和管理中用得比较普遍。
链表中的每个节点都具有相同的结构类型，它们是由两部分组成，即数据部分(它们包含一些有用的信息),另一部分就是链的指针。下面就定义一个通信链节点的数据结构：
struct address
{
char name[30];
char street[40];
char city[20];
char state[10];
char zip[6];
struct address *next; /*pointer to next entry*/
}list_entry;
该结构中前五个成员是该节点的信息部分，最后一个成员是指向同一个结构类型的指针。即next又指向一个同样结构类型的节点。
1.建立链表
建立链表时，首先要将第一个节点的内容存入堆中，为此要将堆中能存入该节点内容的内存区域首地址赋给一个指针。我们可以用malloc()函数来分配内存区域。如info是一个指针：
info=(struct address *)malloc(sizeof(list_entry));
当第一个节点存入有info指出的内存区后，再执行该函数，便得到狭义个节点的存储地址info，此时将该info赋给上一个节点的next，并将该节点内容存入info指出的内存区，这样两个节点就链接起来了。此过程反复多次，就可不断的将节点加入链表的尾端。
#include "stdlib.h"
#include "alloc.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
struct address
{
char name[30];
char street[40];
char city[20];
char state[10];
char zip[6];
struct address *next;
}list_entry;
void inputs(char *,char *,int);
void dls_store(struct address*);
main()
{
struct address *info;
int i;
for(i=0;i<5;i++)
{
info=(struct address *)malloc(sizeof(list_entry));
inputs("enter name:",info->name,30);
inputs("enter street:",info->street,40);
inputs("enter city:",info->city,20);
inputs("enter state:",info->state,10);
inputs("enter zip:",info->zip,6);
dls_store(info);
}
}
void inputs(char *prompt,char *s,int count)
{
char p[255];
do
{
printf(prompt);
gets(p);
if(strlen(p)>count) printf("\n too long \n");
}
while(strlen(p)>count);
strcpy(s,p);
}
void dls_store(struct address *in)
{
static struct address *last=NULL;
if(!last) last=in;
else last->next=in;
in->next=NULL;
last=in;
}
inputs()函数比较简单，就不说明了。
dls_store()函数是将输入的节点地址写到上一个节点的next指针项。其中定义的结构指针last是一个静态变量，初始值为 NULL，这意味着在编译时将为该变量分配一个固定的存储空间以存放其值。因初始值为NULL，这样在第一次调用该函数时，由于它代表一个空指针，因而把由malloc()分配的第一个节点地址赋给它，使last指向该节点，第二次调用时，静态变量last已指向第一个节点地址。如此反复调用，便建立起了 n次调用产生的n个节点的链了(本题n=5)。
2.链数据的插入和删除
对于一个已排序好的链表(假设是生序)，现在想插入一个数据进去，可能有三种情况：
(1).比首项数据还小，即插入的数据作为首项出现：
这种情况我们的处理方法是：把该数据作为第一项，指针指向原先的首项即可。设原先首项为top，待插入的数据为in，则：
in->next=top;
即可让该数据作为链表的头。
(2).比最后一项大，即插入的数据作为最后一项出现：
这也很好办，设原先最后一项为old，则：
old->next=in;
in->next=NULL;
(3).作为中间某一项出现：前面是old,后面是top,则：
old->next=in;
in->next=top;
如果想删除一个数据，也可能是出现在开头，中间和结尾。
例如想删除in这个数据，它原先的前面是old,后面是top,即原先的链表是这样：
old->next=in;
in->next=top;
现在删除in，只需把old指向top即可:
old->next=top->next;
/*删除节点函数*/
void delete(struct address *info,struct address *old)
{
if(info)
{
if(info==start) start=info->next; /*删除的是第一个节点*/
else
{
old->next=info->next; /*被删除节点前的指针指向下一个节点*/
last=old; /*若节点是链表尾，则该节点前的节点指针指向NULL*/
}
free(info); /*释放删除节点占用空间*/
}
}
/*查找链表中是否有该数据*/
struct address *search(struct address *top,char *n)
{
while(top)
{
if(!strcmp(n,top->name)) return top; /*找到要删除的节点指针*/
top=top->next; /*继续找*/
}
return NULL; /*没有找到*/
}
/*链表的输出*/
void display(struct address *top)
{
while(top)
{
printf(top->name);
top=top->next;
}
}
链表问题比较复杂，但又是很重要的概念。上面说的输入，查找，删除，插入等功能一定要理解，可以参考别的一些资料看看。
上面说的单链表，但是单链表有一个缺点，就是无法反向操作，当某一个链因破坏而断裂，则整个链就被破坏而无法恢复。双链表可以弥补这个缺点，所谓双链表是指每个节点有两个指针项，一个指针指向其前面的节点，而另一个指针指向后面的节点。关于双链表的使用相对要复杂一些，这里就不介绍了，可以找其他一些资料看看。
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