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  第5题      
  知识点:   嵌入式系统   指针   查找   内存   实例

 
在开发某嵌入式系统时,设计人员根据系统要求,分别编写了如下三部分程序,其中:
【C代码1】是李工为了在嵌入式平台上开发一段可变参数函数,在X86平台上实现的一个参数个数可变函数实例
【C代码2】是王工在编写软件时,自己编写的内存拷贝函数。
【C代码3】是赵工编写的一段数据处理的程序,其中fiin()的含义为从已创建的一个单向链表中查找倒数第index个结点。他的设计思路为:首先创建两个指针ptrl,ptr2,并且都指向链表头,然后ptrl向前走index步,这样ptrl和ptr2之间就间隔index个结点,然后ptrl和ptr2同时向前步进,当ptrl到达最后一个结点时,ptr2就是倒数第index个结点了。ReverseListO为赵工编写的对已有单向链表进行逆序重排的函数。




 
问题:5.1   执行C代码1后,Sum的值应为多少?请用十进制表示。
 
问题:5.2   请问C代码2中static的作用是什么?const的作用是什么?丨王工自己编写的内存拷贝函数安全吗?如存在缺陷,请指出缺陷在哪里。
 
问题:5.3   仔细阅读并分析C代码3,填补其中的空(1)〜(5)。
 
 
 

   知识点讲解    
   · 嵌入式系统    · 指针    · 查找    · 内存    · 实例
 
       嵌入式系统
        嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集,包括操作者的命令和受控对象的状态,按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算,计算结果作为命令输出到设备的某些部件,控制某些操作,同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。
        
        嵌入式系统组成
        上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分,一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分,而且体现了系统的思想、方法和规律。
        在当今社会中,嵌入式系统已经和我们的生活息息相关,人们每时每刻都离不了嵌入式系统,如下图所示。
        
        嵌入式系统基本分类
        嵌入式系统一般是实时系统,《牛津计算机字典》对实时系统解释是:“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动,而系统输出对应着另外一个物理世界的运动,而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内,实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种,如下表所示。
        
        实时系统分类及其特性
        一般认为,嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机,在软件或硬件上的资源是有限的,硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面,软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。
        第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。
        随着20世纪60年代早期应用开始,嵌入式系统的价格迅速降低,同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例,在存储器和外围芯片的配套使用下,实现了计算器和其他小型系统。1978年,美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”,涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器,如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器,使得微处理器得到了快速发展。
        无一例外,不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始,但核心是软件的算法处理,实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能,如下图所示。
        
        嵌入式计算机的层次化架构
        当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟,他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反,基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面,可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径,都会导致软件有不同程度的差异。
        嵌入式系统具有以下特征:
        (1)嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统,从操作指令发出,嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作,要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说,一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求,确保在最复杂行为和最大延时情况下,系统操作不发生延迟,要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低,需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。
        (2)嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失,可能是铁路信号失效的巨额经济损失,也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后,对于不同的系统需要采取不同的策略,例如对具有重大影响的系统,要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术,将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下,嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。
        (3)嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成,甚至可以进行软件正确性证明;即使过程中更换人员,花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件,其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期,实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合,考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护,同时考虑处理平台限制条件。
 
       指针
        简单来说,指针是内存单元的地址,它可能是变量的地址、数组空间的地址,或者是函数的入口地址。存储地址的变量称为指针变量,简称为指针。指针是C语言中最有力的武器,能够为程序员提供极大的编程灵活性。
               指针的定义
               指针类型的变量是用来存放内存地址的,下面是两个指针变量的定义:
               
               变量ptr1和ptr2都是指针类型的变量,ptr1用于保存一个整型变量的地址(称ptr1指向一个整型变量),ptr2用于保存一个字符型变量的地址(称ptr2指向一个字符变量)。
               使用指针时需明确两个概念:指针对象和指针指向的对象。指针对象是明确命名的指针变量,如上例中的ptr1、ptr2;指针指向的对象是另一个变量,用“*”和指针变量联合表示,如上例中的整型变量*ptr1和字符变量*ptr2,由于上面的定义中未对ptr1和ptr2进行初始化,它们的初始值是随机的,也就是*ptr1和*ptr2可视为并不存在。
               借助指针变量可以针对指定的地址进行操作,例如,设置地址为0x1234开始的存储空间存放一个整型变量的值0x5678,代码如下。
               
               定义指针变量时需要在每个变量名前加“*”,如下:
               
                      指针的加减运算
                      对指针变量进行加减运算时,是以指针所指向的数据类型存储宽度为单位计算的。
                      例如,下面的指针p和s在进行加1运算时有不同的结果。
                      
                      p+1实际上是按照公式p+1*sizeof(int)来计算的,s+1则是按照s+1*sizeof(char)进行计算。
                      空指针
                      标准预处理宏NULL(它的值为0,称为空指针常量)常用来表示指针不指向任何内存单元,可以把NULL赋给任意类型的指针变量,以初始化指针变量。例如:
                      
                      需要注意:全局指针变量会被自动初始化为NULL,局部指针变量的初始值是随机的。编程时常见的一个错误是没有给指针变量赋初值。未初始化的指针变量可能表示了一个非法的地址,导致程序运行时出现内存访问错误,从而使程序异常终止。
                      “&”和“*”
                      “&”称为地址运算符,其作用是获取变量的地址。“*”称为间接运算符,其作用是获取指针所指向的变量。
                      例如,下面的语句“pa=&b;”执行后,变量pa就得到了b的地址(称为指针pa指向b),*pa表示pa指向的变量(也就是变量b)。
                      例如:
                      
                      在上面的例子中,通过指针pa修改了变量b的值,本质上是对b的间接访问。在程序中通过指针访问数据对象或函数对象,提供了运算处理上的灵活性。
                      如果指针变量的值是空指针或者是随机的,通过指针来访问数据就是一种错误(在编译时报错,或者在运行时发生异常),下面的语句会产生一个运行时错误(vp可能表示了一个非法的地址,因此它所指向的对象*vp也是非法的)。
                      
                      void*类型可以与任意的数据类型匹配。void指针在被使用之前,必须转换为明确的类型。例如:
                      
                      指针与堆内存
                      在程序运行过程中,堆内存能够被动态地分配和释放,在C程序中通过malloc(或calloc、realloc)和free函数实现该处理要求。
                      例如:
                      
                      在堆中分配的内存块的生存期是由程序员自己控制的,应在程序中显式地释放。例如:
                      
                      注意:指针为空(指针值为0或NULL)时表示不指向任何内存单元,因此释放空指针没有意义。
                      因为内存资源是有限的,所以若申请的内存块不再需要就及时释放。如果程序中存在未被释放(由于丢失其地址在程序中也不能再访问)的内存块,则称为内存泄漏。持续的内存泄漏会导致程序性能降低,甚至崩溃。嵌入式系统存储空间非常有限,一般情况下应尽量采用静态存储分配策略。
               指针与数组
                      通过指针访问数组元素
                      在C程序中,常利用指针访问数组元素,数组名表示数组在内存中的首地址,即数组中第一个元素的地址。可以通过下标访问数组元素,也可以通过指针访问数组元素。
                      例如:
                      
                      数组arr的元素可以用*ptr、*(ptr+1)、*(ptr+2)、*(ptr+3)来引用。
                      数组名是常量指针,数组名的值不能改变,因此arr++是错误的,而ptr++是允许的。例如,下面的代码通过修改指针ptr来访问数组中的每个元素。
                      
                      一般情况下,一个int型变量占用4个字节的内存空间,一个char型变量占用一个字节的空间,所以str是字符指针的话,str++就使str指向下一个字符;而整型指针ptr++则使ptr指向下一个int型整数,即指向数组的第二个元素。
                      可以用指针访问二维数组元素。例如,对于一个m行、n列的二维整型数组,其定义为
                      
                      由于二维数组元素在内存中是以线性序列方式存储的,且按行存放,所以用指针访问二维数组的关键是如何计算出某个二维数组元素在内存中的地址。二维数组a的元素a[i][j](ii][j]之前的元素所占空间形成的偏移量,概念上表示为a+(i×n+j)*sizeof(int),在程序中需要表示为(&a[0][0]+i×n+j)。
                      通过指针访问字符串常量
                      可将指针设置为指向字符串常量(存储在只读存储区域),通过指针读取字符串或其中的字符。例如,
                      
                      不允许在程序运行过程中修改字符串常量。例如,下面代码试图通过修改字符串的第2个字符将“hello”改为“hallo”,程序运行时该操作会导致异常,原因是str指向的是字符串常量“hello”,该字符串在运行时不能被修改。
                      
                      如果用const进行修饰,这个错误在编译阶段就能检查出来,修改如下:
                      
                      指针数组
                      如果数组的元素类型是指针类型,则称之为指针数组。下面的ptrarr是一维数组,数组元素是指向整型变量的指针。
                      
                      若需要动态生成二维整型数组,则传统的处理方式是先设置一个指针数组arr2,然后将其每个元素的值(指针)初始化为动态分配的“行”。
                      
                      指针运算
                      在C程序中,对指针变量加一个整数或减一个整数的含义与指针指向的对象有关,也就是与指针所指向的变量所占用存储空间的大小有关。例如:
                      
                      常量指针与指针常量
                      常量指针是指针变量指向的对象是常量,即指针变量可以修改,但是不能通过指针变量来修改其指向的对象。例如,
                      
                      指针常量是指针本身是个常量,不能再指向其他对象。
                      在定义指针时,如果在指针变量前加一个const修饰符,就定义了一个指针常量,即指针值是不能修改的。
                      
                      指针常量定义时被初始化为指向整型变量d。p本身不能修改(即p不能再指向其他对象),但它所指向变量的内容却可以修改,例如,*p=5(实际上是将d的值改为5)。
                      区分常量指针和指针常量的关键是“*”的位置,如果const在“*”的左边,则为常量指针,如果const在“*”的右边则为指针常量。如果将“*”读作“指针”,将const读作“常量”,内容正好符合。对于定义“int const *p;”p是常量指针,而定义“int* const p;”p是指针常量。
               指针与函数
               指针可以作为函数的参数或返回值。
                      指针作为函数参数
                      函数调用时,用指针作为函数的参数可以借助指针来改变调用函数中实参变量的值。以下面的swap函数为例进行说明,该函数的功能是交换两个整型变量的值。
                      
                      若有函数调用swap(&x,&y),则swap函数执行后两个实参x和y的值被交换。函数中参与运算的值不是pa、pb本身,而是它们所指向的变量,也就是实参x、y(*pa与x、*pb与y所表示的对象相同)。在调用函数中,是把实参的地址传送给形参,即传送&x和&y,在swap函数中指针pa和pb并没有被修改。
                      如果在被调用函数中修改了指针参数的值,则不能实现对实参变量的修改。例如,下面函数get_str中的错误是将指针p指向的目标修改了,从而在main中调用get_str后,ptr的值仍然是NULL。
                      
                      将上面的函数定义和调用作如下修改,就可以修改实参ptr的值,使其指向函数中所申请的字符串存储空间。
                      
                      函数调用为:get_str(&ptr);
                      用const修饰函数参数,可以避免在被调用函数中出现不当的修改。例如:
                      
                      其中,from是输入参数,to是输出参数,如果在函数strcpy内通过from来修改其指向的字符(如*from='a'),编译时将报错。
                      若需要使指针参数在函数内不能修改为指向其他对象,则可如下修饰指针参数。
                      
                      指针作为函数返回值
                      函数的返回值也可以是一个指针。返回指针值的函数的一般定义形式是:
                      
                      例如,如下进行函数定义和调用,可以降低函数参数的复杂性。
                      
                      函数调用为:ptr=get_str();
                      注意:不能将具有局部作用域的变量的地址作为函数的返回值。这是因为局部变量的内存空间在函数返回后即被释放,而该变量也不再有效。
                      例如,下面函数被调用后,变量a的生存期结束,其存储空间(地址)不再有效。
                      
                      函数指针
                      在C程序中,可以将函数地址保存在函数指针变量中,然后用该指针间接调用函数。例如:
                      
                      该语句定义了一个名称为Compare的函数指针变量,用于保存任何有两个常量字符指针形参、返回整型值的函数的地址(函数的地址通常用函数名表示)。例如,Compare可以指向字符串运算函数库中的函数strcmp。
                      
                      函数指针也可以在定义时初始化:
                      
                      将函数地址赋给函数指针时,其参数和类型必须匹配。
                      若有函数定义int strcmp(const char*,const char*);则strcmp能被直接调用,也能通过Compare被间接调用。下面三个函数调用是等价的:
                      
               指针与链表
               指针是C语言的特色和精华所在,链表是指针的重要应用之一,创建、查找、插入和删除结点是链表上的基本运算,需熟练掌握这些运算的实现过程,其关键点是指针变量的初始化和在链表结点间的移动处理。
               以元素值为整数的单链表为例,需要先定义链表中结点的类型,下面将其命名为Node,而LinkList则是指向Node类型变量的指针类型名。
               
               当p指向Node类型的结点时,涉及两个指针变量:p和p->next,p是指向结点的指针,p->next是结点中的指针域,如下图(a)所示;运算“p=p->next;”之后,p指向下一个结点;如下图(b)所示;运算“p->next=p;”之后,结点的指针域指向结点自己,如下图(c)所示。
               
               指向结点的指针运算示例
 
       查找
        1)顺序查找
        顺序查找又称线性查找,顺序查找的过程是从线性表的一端开始,依次逐个与表中元素的关键字值进行比较,如果找到其关键字与给定值相等的元素,则查找成功;若表中所有元素的关键字与给定值比较都不成功,则查找失败。
        2)折半查找
        折半查找的过程是先将给定值与有序线性表中间位置上元素的关键字进行比较,若两者相等,则查找成功;若给定值小于该元素的关键字,那么选取中间位置元素关键字值小的那部分元素作为新的查找范围,然后继续进行折半查找;如果给定值大于该元素的关键字,那么选取比中间位置元素关键字值大的那部分元素作为新的查找范围,然后继续进行折半查找,直到找到关键字与给定值相等的元素或查找范围中的元素数量为零时结束。
        3)分块查找
        在分块查找过程中,首先将表分成若干块,每一块中关键字不一定有序,但块之间是有序的。此外,还建立了一个索引表,索引表按关键字有序。分块查找过程需分两步进行:先确定待查记录所在的块;然后在块中顺序查找。
        4)哈希表及其查找
        根据设定的哈希函数H(key)和处理冲突的方法,将一组关键字映射到一个有限的连续地址集上,并以关键字在地址集中的像作为记录在表中的存储位置,这种表称为哈希表,也称散列表。这一过程所得到的存储位置称为散列地址,由此形成的查找方法称为散列查找。
 
       内存
        除了CPU,内存也是影响系统性能的最常见的瓶颈之一。看系统内存是否够用的一个重要参考就是分页文件的数目,分页文件是硬盘上的真实文件,当操作系统缺少物理内存时,它就会把内存中的数据挪到分页文件中去,如果单位时间内此类文件使用频繁(每秒个数大于5),那就应该考虑增加内存。具体考察内存的性能的参数包括内存利用率、物理内存和虚拟内存的大小。
 
       实例
        某考务处理系统有如下功能:
        (1)对考生送来的报名单进行检查。
        (2)对合格的报名单进行检查。
        (3)对阅卷站送来的成绩清单进行检查,并根据考试中心指定的合格标准审定合格者。
        (4)制作考生通知单(内含成绩合格/不合格标志)送给考生。
        (5)按地区、年龄、文化程度、职业和考试级别等进行成绩分类统计和试题难度分析,产生统计分析表。
        该考务处理系统的分层数据流图如下图所示。
        
        考务处理系统分层数据流图
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第5题    在手机中做本题