C语言动态内存管理与文件操作：打造高效通讯录

本篇博客会讲解如何使用C语言实现一个通讯录。实现通讯录的过程中，会大量用到C语言的知识点，包括但不限于：函数、自定义类型、指针、动态内存管理、文件操作，这些知识点在我的其他博客中都有讲解过，欢迎大家阅读，这里就不进行系统的复习了。

先来梳理下需求：

1. 通讯录能够存储的联系人的信息有：姓名、年龄、性别、电话、住址。
2. 这个通讯录不能是“静态的”，而应该是“动态的”，也就是说，需要用到动态内存管理的知识。这是因为，静态的通讯录的容量是固定的，空间太大可能浪费，太小了又不够存。
3. 由于当程序开始运行后，通讯录的数据是存储在内存中的，一旦程序运行结束，执行完main函数的return 0;后，空间就被操作系统回收了，相当于数据就丢了。为了能够实现“永久保存”的效果，我们要在程序退出前，把数据保存到文件中，这又涉及到文件操作的相关知识点。
4. 类似顺序表这种数据结构的基本操作，通讯录要能做到：增删查改+排序+打印，即增加联系人、删除联系人、查找联系人、修改联系人、排序联系人、打印联系人等等。

下面我们开始吧！

准备工作

以下是菜单里的一些选项，声明成枚举类型是比较合适的。

// 菜单里的不同选项
enum Option
{EXIT,   // 退出ADD,    // 增加联系人DEL,    // 删除联系人SEARCH, // 查找联系人MODIFY, // 修改联系人SHOW,   // 显示联系人SORT    // 排序
};

由于联系人的姓名、性别、电话和住址都是字符串，要存储在字符数组中，最好先声明它们的容量。

// 各信息的存储容量
#define MAX_NAME 20 // 名字
#define MAX_SEX 5   // 性别
#define MAX_TELE 12 // 电话
#define MAX_ADDR 30 // 住址

我们后面在进行动态内存管理时，需要知道初始的容量和每次扩容的容量，也声明一下：

// 动态内存默认存储的数据
#define DEFAULT_SZ 3
// 若不够存，每次扩容的数量
#define INC_SZ 2

再声明一个结构体，表示一个人的信息，包括姓名、年龄、性别、电话、住址。

// 表示一个人的信息
typedef struct PeoInfo
{char name[MAX_NAME]; // 姓名int age;             // 年龄char sex[MAX_SEX];   // 性别char tele[MAX_TELE]; // 电话char addr[MAX_ADDR]; // 住址
}PeoInfo;

类似数据结构中的“顺序表”的结构，定义一个结构体，用于存储通讯录中的信息，包括一个动态开辟的数组，数组中有效数据的个数，以及数组当前动态开辟的容量。

// 通讯录
typedef struct Contact
{PeoInfo* data; // data指向了存放数据的空间int sz;        // 记录通讯录中的有效信息个数int capacity;  // 通讯录当前的容量
}Contact;

下面我们开始实现程序的主体逻辑。先从主函数写起，把主要的功能都封装成函数：

// 打印菜单
void menu()
{printf("************************************\n");printf("*****    1. add     2. del       ***\n");printf("*****    3. search  4. modify    ***\n");printf("*****    5. show    6. sort      ***\n");printf("*****    0. exit                 ***\n");printf("************************************\n");
}int main()
{int input = 0; // 存储用户输入的数据Contact con; // 通讯录// 初始化通讯录// 加载文件的信息到通讯录中InitContact(&con);do{menu(); // 菜单printf("请选择:>");scanf("%d", &input);switch (input){case ADD: // 添加联系人AddContact(&con);break;case DEL: // 删除联系人DelContact(&con);break;case SEARCH: // 查找指定联系人SearchContact(&con);break;case MODIFY: // 修改指定联系人的信息ModifyContact(&con);break;case SHOW: // 展示联系人信息ShowContact(&con);break;case SORT: // 排序SortContact(&con);break;case EXIT: // 退出通讯录// 保存通讯录到文件中SaveContact(&con);// 销毁通讯录DestroyConact(&con);printf("退出通讯录\n");break;default:printf("选择错误\n");break;}} while (input);return 0;
}

初始化通讯录

先定义一个函数InitContact，它的作用是初始化通讯录。函数的参数是一个指向Contact结构体的指针。函数的具体实现如下：

1. 函数的第一行使用assert宏检查指针是否有效，如果无效则程序会中止运行。
2. 接下来，函数使用malloc函数开辟了一块内存空间，用于存储PeoInfo结构体数组。这个数组的大小是DEFAULT_SZ，即默认容量。如果开辟空间失败，则会输出错误信息并返回。
3. 如果开辟空间成功，则将通讯录的大小sz和容量capacity都设置为DEFAULT_SZ，并调用LoadContact函数将文件中的信息加载到通讯录中。

void InitContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 先开辟默认的容量pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));// 检查开辟空间是否成功if (pc->data == NULL){// 开辟空间失败printf("通讯录初始化失败:%s\n", strerror(errno));return;}// 开辟空间成功pc->sz = 0;pc->capacity = DEFAULT_SZ;//加载文件的信息到通讯录LoadContact(pc);
}

从文件中加载信息

再定义一个函数LoadContact，用于从文件中读取联系人信息并存储到内存中。函数的参数是一个指向Contact结构体的指针，表示要将读取到的联系人信息存储到哪个数据结构中。函数的具体实现如下：

1. 首先使用assert函数检查传入的指针是否有效，如果无效则直接返回。
2. 然后使用fopen函数打开名为"contact.dat"的二进制文件，如果打开失败则说明可能是第一次运行通讯录，没有数据文件，直接返回。
3. 接着使用一个while循环，每次读取一个PeoInfo结构体大小的数据，即一个联系人的信息，存储到临时变量tmp中。
4. 调用CheckCapacity函数检查当前动态数组的容量是否足够存储读取到的联系人信息，如果不够则进行扩容。
5. 将读取到的联系人信息存储到动态数组中，即将tmp变量中的数据存储到data数组的末尾，并将sz变量加一。
6. 循环结束后，关闭文件并将文件指针置为 NULL。

void LoadContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 打开文件FILE* pf = fopen("contact.dat", "rb");// 检查打开文件是否成功if (pf == NULL){// 打开文件失败，可能是第一次运行通讯录，并没有数据文件//perror("LoadContact::fopen");return;}// 读文件PeoInfo tmp = { 0 }; // 存储读取到的数据// 每次读一个数据while (fread(&tmp, sizeof(PeoInfo), 1, pf)){// 检查容量，不够的话要扩容CheckCapacity(pc);// 存储从文件读取到的数据pc->data[pc->sz] = tmp;pc->sz++;}// 关闭文件fclose(pf);pf = NULL;
}

检查容量

再定义一个函数CheckCapacity，用于检查并扩容动态数组。函数的参数是一个指向Contact结构体的指针。函数的具体实现如下：

1. 函数首先使用assert宏检查传入的指针是否有效。然后，它检查当前数组是否需要扩容。如果数组的大小已经等于容量，就需要扩容。
2. 在需要扩容的情况下，函数使用realloc函数重新分配内存。realloc函数会尝试将原来分配的内存块扩大到指定的大小。如果扩容成功，realloc函数会返回一个指向新内存块的指针，否则返回NULL。
3. 如果realloc函数返回NULL，说明扩容失败，函数会输出错误信息并返回0。如果realloc函数返回非空指针，说明扩容成功，函数会更新数组的起始位置和容量，并输出扩容成功的信息。最后，函数返回1，表示扩容成功或者不需要扩容。

// 扩容失败，返回0
// 扩容成功，不需要扩容，返回1
static int CheckCapacity(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 检查是否需要扩容if (pc->sz == pc->capacity){// 需要扩容PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));// 检查是否扩容成功if (ptr == NULL){// 扩容失败printf("CheckCapacity:%s\n", strerror(errno));return 0;}else{// 扩容成功// 更新数组的起始位置pc->data = ptr;// 更新容量pc->capacity += INC_SZ;printf("增容成功，当前容量：%d\n", pc->capacity);}}return 1;
}

销毁通讯录

再定义一个函数DestroyContact，用来销毁通讯录。函数的参数是一个指向Contact结构体的指针。函数的具体实现如下：

1. 先使用assert宏检查指针的有效性。
2. 释放动态数组占用的内存空间。
3. 把结构体的变量置空。

void DestroyConact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 释放内存空间free(pc->data);pc->data = NULL;pc->capacity = 0;pc->sz = 0;printf("释放内存.....\n");
}

添加联系人

接着定义一个函数AddContact，参数仍然是一个指向Contact结构体的指针，实现向通讯录中添加联系人的功能。具体实现如下：

1. 首先检查传入的指针是否有效，如果无效则使用assert宏触发断言，程序终止。
2. 调用CheckCapacity函数检查通讯录是否需要扩容，如果需要则进行扩容操作。如果扩容失败，则输出提示信息并返回。
3. 如果扩容成功，则提示用户输入联系人信息，包括名字、年龄、性别、电话和地址。这些信息将被存储在通讯录的data数组中，下标为 sz。
4. 最后更新有效数据个数sz，并输出添加成功的提示信息。

void AddContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 扩容，同时检查是否成功if (0 == CheckCapacity(pc)){// 扩容失败printf("空间不够，扩容失败\n");return;}else{// 输入联系人信息printf("请输入名字:>");scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);printf("请输入年龄:>");scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));printf("请输入性别:>");scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);printf("请输入电话:>");scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);printf("请输入地址:>");scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);// 更新有效数据个数pc->sz++;printf("添加成功\n");}
}

打印数据

接下来定义一个函数 ShowContact，用于打印联系人信息。函数接受一个指向Contact结构体的指针pc。具体实现如下：

1. 函数首先使用assert宏检查指针pc是否有效，如果无效则程序会崩溃并输出错误信息。
2. 接下来，函数使用printf函数打印联系人信息。首先打印表头，包括姓名、年龄、性别、电话和地址。然后使用循环遍历pc中的每个联系人，打印其姓名、年龄、性别、电话和地址。
3. 在打印时使用格式化字符串，其中 %s 表示字符串，%-10s 表示左对齐并占用 10 个字符的字符串，%-4d 表示左对齐并占用 4 个字符的整数，%-5s 表示左对齐并占用 5 个字符的字符串，%-12s 表示左对齐并占用 12 个字符的字符串，%-30s 表示左对齐并占用 30 个字符的字符串。

void ShowContact(const Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 打印效果// 姓名      年龄      性别     电话      地址// zhangsan 20        男      123456    北京//// 打印标题printf("%-10s %-4s %-5s %-12s %-30s\n", "姓名", "年龄", "性别", "电话", "地址");// 打印数据for (int i = 0; i < pc->sz; ++i){printf("%-10s %-4d %-5s %-12s %-30s\n",pc->data[i].name, pc->data[i].age, pc->data[i].sex, pc->data[i].tele, pc->data[i].addr);}
}

删除联系人

接下来实现通讯录的删除联系人功能。具体实现如下：

FindByName函数：根据指定名字，在通讯录中查找联系人信息。函数参数为指向Contact结构体的指针和要查找的名字。函数返回值为查找到的联系人在通讯录中的下标，如果没找到则返回-1。

DelContact函数：删除通讯录中指定联系人。函数参数为指向Contact结构体的指针。函数实现如下：

1. 检查指针有效性，如果为空则直接返回。
2. 检查通讯录中是否还有数据，如果没有则输出提示信息并返回。
3. 获取用户输入的要删除的联系人名字。
4. 调用FindByName函数查找要删除的联系人在通讯录中的下标。
5. 如果没找到，则输出提示信息并返回。
6. 如果找到了，则使用memmove函数将该联系人后面的所有联系人向前移动一个位置，覆盖掉要删除的联系人。
7. 更新通讯录中的有效数据个数。
8. 输出删除成功的提示信息。

// 根据指定名字，查找联系人信息
static int FindByName(const Contact* pc, char name[])
{// 检查指针有效性assert(pc);assert(name);// 遍历数组for (int i = 0; i < pc->sz; ++i){// 检查名字是否匹配if (0 == strcmp(pc->data[i].name, name)){// 找到了return i;}}// 没找到return -1;
}void DelContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 检查是否还有数据if (pc->sz == 0){// 通讯录已空printf("通讯录为空，无法删除\n");return;}char name[MAX_NAME] = { 0 }; // 存储用户输入的数据// 用户输入信息printf("输入要删除人的名字:>");scanf("%s", name);// 找到要删除的人的下标int pos = FindByName(pc, name);// 检查是否找到if (pos == -1){// 没找到printf("要删除的人不存在\n");return;}// 删除pos位置上的数据// 挪动pos后面的数据，覆盖posmemmove(pc->data + pos, pc->data + pos + 1, sizeof(PeoInfo) * (pc->sz - pos - 1));// 更新有效数据个数pc->sz--;printf("删除成功\n");
}

查找联系人

接着实现在通讯录中根据姓名查找联系人的功能。具体实现如下：

1. 函数名为SearchContact，接受一个指向Contact结构体的指针pc作为参数。
2. 第一行代码使用assert宏检查指针pc是否有效，如果pc为 NULL，则程序会崩溃并输出错误信息。
3. 定义一个char类型的数组name，长度为MAX_NAME，用于存储用户输入的要查找的人的名字。
4. 使用printf函数输出提示信息，让用户输入要查找的人的名字。
5. 使用scanf函数读取用户输入的名字，存储到name数组中。
6. 调用FindByName函数，在通讯录中查找名字为name的联系人，返回值为该联系人在通讯录中的位置，如果没找到则返回-1。
7. 判断FindByName函数的返回值，如果为-1，则说明没有找到要查找的联系人，使用printf函数输出提示信息，并直接返回。
8. 如果FindByName函数的返回值不为-1，则说明找到了要查找的联系人，使用printf函数输出通讯录的标题行，包括姓名、年龄、性别、电话、地址等信息。
9. 使用printf函数输出找到的联系人的具体信息，包括姓名、年龄、性别、电话、地址等信息，这些信息都存储在Contact结构体中的data数组中，通过pc指针访问。pos变量表示要查找的联系人在data数组中的位置。注意，这里使用了%-10s、%-4d等格式控制符，表示输出字符串时左对齐，并且占用固定的宽度，方便对齐。

void SearchContact(const Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);char name[MAX_NAME] = { 0 }; // 存储用户输入的信息// 用户输入数据printf("请输入要查找人的名字:>");scanf("%s", name);// 查找int pos = FindByName(pc, name);// 检查是否找到if (pos == -1){// 没找到printf("要查找的人不存在\n");return;}// 打印标题行printf("%-10s %-4s %-5s %-12s %-30s\n", "姓名", "年龄", "性别", "电话", "地址");// 打印数据printf("%-10s %-4d %-5s %-12s %-30s\n",pc->data[pos].name,pc->data[pos].age,pc->data[pos].sex,pc->data[pos].tele,pc->data[pos].addr);
}

修改联系人

再下来实现一个函数，函数的参数仍然是一个指向通讯录结构体类型Contact的指针，用于修改通讯录中的联系人信息。具体实现如下：

1. 使用assert宏函数检查指针有效性，如果指针为空，则程序会终止。
2. 定义一个char类型数组name，用于存储用户输入的联系人名字。
3. 使用printf函数提示用户输入要修改的联系人名字，并使用scanf函数读取用户输入的名字。
4. 调用FindByName函数查找通讯录中是否存在该联系人，如果不存在则输出提示信息并返回。
5. 如果存在该联系人，则使用scanf函数分别读取用户输入的联系人信息，包括名字、年龄、性别、电话和地址，并将这些信息存储到通讯录结构体中对应的位置。
6. 最后使用printf函数输出修改成功的提示信息。

void ModifyContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);char name[MAX_NAME] = { 0 }; // 存储用户输入的信息// 用户输入数据printf("请输入要修改人的名字:>");scanf("%s", name);// 查找int pos = FindByName(pc, name);// 检查是否找到if (pos == -1){// 没找到printf("要修改的人不存在\n");return;}// 修改// 用户输入信息printf("请输入名字:>");scanf("%s", pc->data[pos].name);printf("请输入年龄:>");scanf("%d", &(pc->data[pos].age));printf("请输入性别:>");scanf("%s", pc->data[pos].sex);printf("请输入电话:>");scanf("%s", pc->data[pos].tele);printf("请输入地址:>");scanf("%s", pc->data[pos].addr);printf("修改成功\n");
}

排序通讯录

接下来实现排序功能。具体实现如下：

1. 定义一个比较函数CmpByName，用于按照名字来排序联系人信息。该函数的参数为两个指向联系人信息结构体的指针p1和p2，返回值为两个名字字符串的比较结果。
2. 在CmpByName函数中，首先使用assert宏检查指针p1和p2的有效性，确保程序不会因为无效指针而崩溃。然后使用strcmp函数比较两个联系人信息结构体中的名字字符串大小，返回比较结果。
3. 定义一个排序函数SortContact，用于对联系人信息进行排序。该函数的参数为一个指向联系人管理系统结构体的指针pc。
4. 在SortContact函数中，首先使用assert宏检查指针pc的有效性，确保程序不会因为无效指针而崩溃。然后调用qsort函数对联系人信息进行排序，其中pc->data表示联系人信息数组的首地址，pc->sz表示联系人信息数组的大小，sizeof(PeoInfo)表示每个联系人信息结构体的大小，CmpByName表示排序函数。
5. 最后输出排序成功的提示信息。

// 按照名字来排序
int CmpByName(const void* p1, const void* p2)
{// 检查指针有效性assert(p1 && p2);// 比较名字字符串大小return strcmp(((PeoInfo*)p1)->name, ((PeoInfo*)p2)->name);
}void SortContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 根据名字来排序qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(PeoInfo), CmpByName);printf("排序成功\n");
}

保存通讯录

最后实现将联系人信息保存到文件中的功能。具体实现如下：

1. 函数定义：函数名为SaveContact，参数为一个指向Contact结构体的指针pc。
2. 检查指针有效性：使用assert宏函数检查指针pc是否为NULL，如果是NULL则程序会直接终止。
3. 打开文件：使用fopen函数打开名为"contact.dat"的文件，以二进制写入模式（“wb”）打开。返回值为一个指向FILE结构体的指针pf。
4. 检查是否打开成功：使用if语句判断指针pf是否为NULL，如果是NULL则说明打开文件失败，使用perror函数输出错误信息并返回。
5. 写数据：使用for循环遍历pc指向的Contact结构体中的所有联系人信息，使用fwrite函数将每个联系人信息写入文件中。其中，第一个参数为指向联系人信息的指针，第二个参数为每个联系人信息的大小，第三个参数为写入的数量，第四个参数为指向文件的指针pf。
6. 关闭文件：使用fclose函数关闭文件，释放文件指针pf所占用的资源。将pf赋值为NULL，防止出现野指针。
7. 输出保存成功信息：使用printf函数输出保存成功的信息。

void SaveContact(Contact* pc)
{// 检查指针有效性assert(pc);// 打开文件FILE* pf = fopen("contact.dat", "wb");// 检查是否打开成功if (pf == NULL){// 打开文件失败perror("SaveContact::fopen");return;}// 写数据，一次写一个for (int i = 0; i < pc->sz; ++i){fwrite(pc->data + i, sizeof(struct PeoInfo), 1, pf);}//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;printf("保存成功...\n");
}

总结

1. 动态内存管理一定要熟练掌握，包括使用malloc开辟空间，使用realloc扩容，使用free函数释放空间等。
2. 常见的文件操作函数得会用，包括fopen,fclose以及文件的顺序读写和随机读写操作等。
3. 顺序表的增删查改、排序打印等常规操作一定要掌握，通讯录的本质就是顺序表。

感谢大家的阅读！