面试题：C语言指针在系统底层开发中的应用

1. 利用C语言指针实现设备寄存器的访问

假设我们有一个简单的设备，其寄存器地址为0x1000。在C语言中，可以通过将这个地址强制转换为指针类型来访问寄存器。

// 假设设备寄存器地址
#define DEVICE_REGISTER 0x1000

// 访问设备寄存器
void device_register_access() {
    volatile unsigned int *register_ptr = (volatile unsigned int *)DEVICE_REGISTER;
    // 读取寄存器值
    unsigned int value = *register_ptr;
    // 写入寄存器值
    *register_ptr = 0xABCD;
}

这里使用volatile关键字是因为设备寄存器的值可能会在程序外部被硬件改变，防止编译器优化掉对寄存器的读写操作。

2. 利用C语言指针实现中断向量表的设置

中断向量表通常是一个函数指针数组，每个元素指向一个中断处理函数。假设我们有一个简单的中断向量表，大小为16。

// 定义中断处理函数类型
typedef void (*interrupt_handler_t)();

// 定义中断向量表
interrupt_handler_t interrupt_vector_table[16];

// 设置中断向量表中的一个中断处理函数
void set_interrupt_handler(int vector, interrupt_handler_t handler) {
    if (vector >= 0 && vector < 16) {
        interrupt_vector_table[vector] = handler;
    }
}

// 假设的中断处理函数
void my_interrupt_handler() {
    // 中断处理代码
}

// 使用示例
void setup_interrupt_vector() {
    set_interrupt_handler(5, my_interrupt_handler);
}

3. 利用C语言指针实现内存区域的映射

假设我们要将物理地址0x20000000映射到虚拟地址空间，映射大小为4096字节（一页）。在操作系统内核中，通常会有相关的函数来完成实际的映射操作，这里只是简单示意如何通过指针操作映射后的内存。

// 假设映射后的虚拟地址
#define MAPPED_VIRTUAL_ADDR 0x30000000

// 访问映射后的内存区域
void memory_mapping_access() {
    volatile unsigned char *mapped_memory = (volatile unsigned char *)MAPPED_VIRTUAL_ADDR;
    // 写入数据到映射的内存
    for (int i = 0; i < 4096; i++) {
        mapped_memory[i] = i;
    }
    // 从映射的内存读取数据
    unsigned char value = mapped_memory[100];
}

4. 指针相关的风险及应对策略

空指针解引用风险：如果指针未初始化或者被错误地赋值为NULL，解引用该指针会导致程序崩溃。应对策略是在使用指针前，始终检查指针是否为NULL。例如：

volatile unsigned int *register_ptr = (volatile unsigned int *)DEVICE_REGISTER;
if (register_ptr != NULL) {
    unsigned int value = *register_ptr;
}

野指针风险：指针指向了一个已经释放的内存区域，或者指向了一个未分配的内存区域。避免野指针的方法是在释放内存后将指针赋值为NULL，并且确保指针在使用前指向有效的内存。例如，在动态分配内存时：

int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
if (ptr != NULL) {
    *ptr = 10;
    free(ptr);
    ptr = NULL;
}

指针类型不匹配风险：当进行指针类型转换时，如果类型不匹配，可能会导致未定义行为。确保指针类型转换是合理的，并且在必要时进行安全检查。例如，在将整数地址转换为指针时，要确保该地址确实指向预期的数据类型。
内存越界风险：在访问数组或连续内存区域时，超出其边界会导致未定义行为。在操作数组指针时，始终确保索引在有效范围内。例如：

volatile unsigned char *mapped_memory = (volatile unsigned char *)MAPPED_VIRTUAL_ADDR;
for (int i = 0; i < 4096; i++) {
    mapped_memory[i] = i;
}
// 避免 i >= 4096 的情况

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面试题：C语言指针在系统底层开发中的应用

知识考点

面试题答案

1. 利用C语言指针实现设备寄存器的访问

2. 利用C语言指针实现中断向量表的设置

3. 利用C语言指针实现内存区域的映射

4. 指针相关的风险及应对策略