面试题：C语言指针关系运算在内存管理与优化中的深入应用

Question

在一个大型程序中，有多个动态分配的内存块，每个内存块头部记录了块的大小等信息，通过指针相连。现在要求设计一个函数，利用指针关系运算高效地合并相邻且空闲的内存块，并详细阐述实现过程中如何利用指针关系运算来优化性能和保证内存操作的正确性。

Answer 1

1. 数据结构定义 假设内存块的结构如下：

typedef struct MemoryBlock {
    size_t size;
    int isFree;
    struct MemoryBlock* next;
} MemoryBlock;

2. 合并函数实现

MemoryBlock* mergeFreeBlocks(MemoryBlock* head) {
    MemoryBlock* current = head;
    while (current != NULL && current->next != NULL) {
        if (current->isFree && current->next->isFree) {
            // 合并相邻的空闲块
            current->size += current->next->size + sizeof(MemoryBlock);
            current->next = current->next->next;
        } else {
            current = current->next;
        }
    }
    return head;
}

3. 利用指针关系运算优化性能和保证正确性
   • 优化性能：
     • 通过直接修改指针关系（current->next = current->next->next;），避免了复杂的内存移动操作。这使得合并操作时间复杂度为O(n)，n为内存块的数量，无需额外的空间开销。
     • 由于内存块通过指针相连，遍历内存块链表时，指针运算直接获取下一个内存块地址，减少了额外的寻址开销。
   • 保证正确性：
     • 在合并时，通过current->size += current->next->size + sizeof(MemoryBlock);更新合并后内存块的大小，确保大小信息正确。
     • 在遍历链表时，每次循环检查current != NULL && current->next != NULL，避免空指针解引用，保证内存操作在合法的指针范围内进行。