C/C++學習之路_七: 內(nèi)存管理

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目錄

作用域

內(nèi)存布局

內(nèi)存分區(qū)代碼分析

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1. 作用域

C語言變量的作用域分為：

代碼塊作用域(代碼塊是{}之間的一段代碼)

函數(shù)作用域

文件作用域

1. 局部變量

局部變量也叫auto自動變量(auto可寫可不寫)，一般情況下代碼塊{}內(nèi)部定義的變量都是自動變量，它有如下特點：

在一個函數(shù)內(nèi)定義，只在函數(shù)范圍內(nèi)有效

在復(fù)合語句中定義，只在復(fù)合語句中有效

隨著函數(shù)調(diào)用的結(jié)束或復(fù)合語句的結(jié)束局部變量的聲明聲明周期也結(jié)束

如果沒有賦初值，內(nèi)容為隨機

void test() {//auto寫不寫是一樣的，auto只能出現(xiàn)在{}內(nèi)部auto int b = 10; }int main(void) {//b = 100; //err， 在main作用域中沒有bif (1) {//在復(fù)合語句中定義，只在復(fù)合語句中有效int a = 10;printf("a = %d\n", a);}//a = 10; //err離開if()的復(fù)合語句，a已經(jīng)不存在return 0; }

2. 靜態(tài)局部變量

static局部變量的作用域也是在定義的函數(shù)內(nèi)有效

static局部變量的生命周期和程序運行周期一樣，執(zhí)行main函數(shù)之前就已經(jīng)開辟空間，程序結(jié)束之后才釋放空間，同時staitc局部變量的值只初始化一次，但可以賦值多次

static局部變量若未賦以初值，則由系統(tǒng)自動賦值：數(shù)值型變量自動賦初值0，字符型變量賦空字符

void fun1() {int i = 0;i++;printf("i = %d\n", i); }void fun2() {//靜態(tài)局部變量，沒有賦值，系統(tǒng)賦值為0，而且只會初始化一次static int a;a++;printf("a = %d\n", a); }int main(void) {fun1();fun1();fun2();fun2();return 0; }

3. 全局變量

在函數(shù)外定義，可被本文件及其它文件中的函數(shù)所共用，若其它文件中的函數(shù)調(diào)用此變量，須用extern聲明

全局變量的生命周期和程序運行周期一樣，執(zhí)行main函數(shù)之前就已經(jīng)開辟空間，程序結(jié)束之后才釋放空間

不同文件的全局變量不可重名

4. 靜態(tài)全局變量

在函數(shù)外定義，作用范圍被限制在所定義的文件中

不同文件靜態(tài)全局變量可以重名，但作用域不沖突

static全局變量的生命周期和程序運行周期一樣，同時staitc全局變量的值只初始化一次，執(zhí)行main函數(shù)之前就已經(jīng)開辟空間，程序結(jié)束之后才釋放空間

5. extern全局變量聲明

extern int a; //聲明一個變量，這個全局變量在別的文件中已經(jīng)定義了，這里只是聲明，而不是定義。

6. 全局函數(shù)和靜態(tài)函數(shù)

在C語言中函數(shù)默認都是全局的，使用關(guān)鍵字static可以將函數(shù)聲明為靜態(tài)，函數(shù)定義為static就意味著這個函數(shù)只能在定義這個函數(shù)的文件中使用，在其他文件中不能調(diào)用，即使在其他文件中聲明這個函數(shù)都沒用。

對于不同文件中的staitc函數(shù)名字可以相同。

注意：

允許在不同的函數(shù)中使用相同的變量名，它們代表不同的對象，分配不同的單元，互不干擾。

同一源文件中，允許全局變量和局部變量同名，在局部變量的作用域內(nèi)，全局變量不起作用。

所有的函數(shù)默認都是全局的，意味著所有的函數(shù)都不能重名，但如果是staitc函數(shù)，那么作用域是文件級的，所以不同的文件static函數(shù)名是可以相同的。

7. 總結(jié)

類型作用域生命周期

auto變量	一對{}內(nèi)	當前函數(shù)
static局部變量	一對{}內(nèi)	整個程序運行期
extern變量	整個程序	整個程序運行期
static全局變量	當前文件	整個程序運行期
extern函數(shù)	整個程序	整個程序運行期
static函數(shù)	當前文件	整個程序運行期
register變量	一對{}內(nèi)	當前函數(shù)
全局變量	整個程序	整個程序運行期

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2. 內(nèi)存布局

1. 內(nèi)存分區(qū)

程序沒有加載到內(nèi)存前，可執(zhí)行程序內(nèi)部已經(jīng)分好3段信息，分別為代碼區(qū)（text）、數(shù)據(jù)區(qū)（data）和未初始化數(shù)據(jù)區(qū)（bss）3 個部分，有些人直接把data和bss合起來叫做靜態(tài)區(qū)或全局區(qū)。

1. 代碼區(qū)

文本段也稱代碼段，進程啟動時會將程序的代碼加載到物理內(nèi)存中，文本段映射到這片物理內(nèi)存，這片內(nèi)存是不可以在運行期間修改的。

通常代碼區(qū)是可共享的（即另外的執(zhí)行程序可以調(diào)用它），使其可共享的目的是對于頻繁被執(zhí)行的程序，只需要在內(nèi)存中有一份代碼即可。

代碼區(qū)通常是只讀的，使其只讀的原因是防止程序意外地修改了它的指令。

另外，代碼區(qū)還規(guī)劃了局部變量的相關(guān)信息。

2. 已初始化數(shù)據(jù)段（data段）

已初始化數(shù)據(jù)段包含了在程序中明確被初始化的全局變量、已經(jīng)初始化的靜態(tài)變量（包括全局靜態(tài)變量和局部靜態(tài)變量）和常量數(shù)據(jù)（如字符串常量）。

在程序真正運行前就已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)，所以可以提前加載到內(nèi)存保存好，生存周期為整個程序運行過程。

需注意的是，數(shù)據(jù)段不是只讀的，在運行時變量值是可以變動的。

數(shù)據(jù)段還可以更細的分為初始化只讀區(qū)以及初始化可讀寫區(qū)。舉例：

全局字符串 char s[] = “hello world”，全局變量 int debug=1，靜態(tài)變量 static int i = 10 存儲在初始化可讀寫區(qū)；

另一種情況下，const char* string = “hello world”，字符串“hello world”存儲在初始化只讀區(qū)，string指針則存在初始化可讀寫區(qū)。

3. 未初始化數(shù)據(jù)區(qū)（又叫 bss 區(qū)）

未初始化數(shù)據(jù)區(qū)BSS存儲未初始化的全局變量和靜態(tài)變量，這些變量的值是在程序真正運行起來并賦值后才能確定的，所以程序加載的時候，只需要記錄它的內(nèi)存地址和所需大小。。

程序在加載到內(nèi)存前，代碼區(qū)和全局區(qū)(data和bss)的大小就是固定的，程序運行期間不能改變。

然后，運行可執(zhí)行程序，系統(tǒng)把程序加載到內(nèi)存，除了根據(jù)可執(zhí)行程序的信息分出代碼區(qū)（text）、數(shù)據(jù)區(qū)（data）和未初始化數(shù)據(jù)區(qū)（bss）之外，還額外增加了棧區(qū)、堆區(qū)。

舉例：變量 static int i; 全局變量 int j; 包含在BBS段中

4. 堆（heap）

堆用于運行時內(nèi)存分配，在內(nèi)存中位于BSS區(qū)和棧區(qū)之間。

堆用于存儲那些生存期與函數(shù)調(diào)用無關(guān)的數(shù)據(jù)。比如系統(tǒng)調(diào)用 malloc 申請的內(nèi)存就分配在堆上，這些申請的內(nèi)存在不需要時需要手動釋放，否則會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。堆在程序結(jié)束時由操作系統(tǒng)回收。

堆中內(nèi)容是匿名的，只能通過指針間接訪問。

堆空間被進程內(nèi)所有的共享庫及動態(tài)加載模塊所共享。

5. 棧（stack）

棧是一個由內(nèi)核動態(tài)調(diào)整的內(nèi)存段落，由棧幀（Stack Frames）組成，進程每調(diào)用一個函數(shù)，都將為該函數(shù)分配一個棧幀，棧幀中保存了該函數(shù)的局部變量、參數(shù)值和返回值，棧幀會在函數(shù)返回時清理掉。
在程序運行過程中實時的加載和釋放，因此，局部變量的生存周期為申請到釋放該段棧空間。
4. 棧存儲著自動變量以及每次函數(shù)調(diào)用時保存的信息，每當函數(shù)被調(diào)用時，返回地址以及調(diào)用者的上下文環(huán)境例如一些機器寄存器都存儲在棧中，新的被調(diào)用函數(shù)此時會在棧上重新分配自動或者臨時變量，這就是遞歸函數(shù)的工作原理。
5. 每當函數(shù)遞歸調(diào)用自己時，都會使用新的棧幀，因此當前函數(shù)實體內(nèi)的棧幀內(nèi)的變量不會影響另外一個函數(shù)實體內(nèi)的變量。
棧主要有三個用途：
為函數(shù)內(nèi)部聲明的非靜態(tài)局部變量（局部變量）提供存儲空間。
記錄函數(shù)調(diào)用過程相關(guān)的維護性信息，稱為棧幀或過程活動記錄
臨時存儲區(qū)，用于臨時存放長算術(shù)表達式部分計算結(jié)果或alloca()函數(shù)分配的棧內(nèi)內(nèi)存。

2. 存儲類型總結(jié)

類型作用域生命周期存儲位置

auto變量	一對{}內(nèi)	當前函數(shù)	棧區(qū)
static局部變量	一對{}內(nèi)	整個程序運行期	初始化在data段，未初始化在BSS段
extern變量	整個程序	整個程序運行期	初始化在data段，未初始化在BSS段
static全局變量	當前文件	整個程序運行期	初始化在data段，未初始化在BSS段
extern函數(shù)	整個程序	整個程序運行期	代碼區(qū)
static函數(shù)	當前文件	整個程序運行期	代碼區(qū)
register變量	一對{}內(nèi)	當前函數(shù)	運行時存儲在CPU寄存器
字符串常量	當前文件	整個程序運行期	data段

int e; static int f; int g = 10; static int h = 10;int main() {int a;int b = 10;static int c;static int d = 10;char *i = "test";char *k = NULL;printf("&a\t %p\t //局部未初始化變量\n", &a);printf("&b\t %p\t //局部初始化變量\n", &b);printf("&c\t %p\t //靜態(tài)局部未初始化變量\n", &c);printf("&d\t %p\t //靜態(tài)局部初始化變量\n", &d);printf("&e\t %p\t //全局未初始化變量\n", &e);printf("&f\t %p\t //全局靜態(tài)未初始化變量\n", &f);printf("&g\t %p\t //全局初始化變量\n", &g);printf("&h\t %p\t //全局靜態(tài)初始化變量\n", &h);printf("i\t %p\t //只讀數(shù)據(jù)(文字常量區(qū))\n", i);k = (char *) malloc(10);printf("k\t %p\t //動態(tài)分配的內(nèi)存\n", k);return 0; }

3. 內(nèi)存操作函數(shù)

1. memset()

#include <string.h> void *memset(void *s, int c, size_t n); 功能：將s的內(nèi)存區(qū)域的前n個字節(jié)以參數(shù)c填入 參數(shù)：s：需要操作內(nèi)存s的首地址c：填充的字符，c雖然參數(shù)為int，但必須是unsigned char , 范圍為0~255n：指定需要設(shè)置的大小 返回值：s的首地址int a[10];memset(a, 0, sizeof(a));memset(a, 97, sizeof(a));int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%c\n", a[i]);}

2. memcpy()

#include <string.h> void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n); 功能：拷貝src所指的內(nèi)存內(nèi)容的前n個字節(jié)到dest所指的內(nèi)存地址上。 參數(shù)：dest：目的內(nèi)存首地址src：源內(nèi)存首地址，注意：dest和src所指的內(nèi)存空間不可重疊，可能會導致程序報錯n：需要拷貝的字節(jié)數(shù) 返回值：dest的首地址int a[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };int b[10];memcpy(b, a, sizeof(a));int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d, ", b[i]);}printf("\n");//memcpy(&a[3], a, 5 * sizeof(int)); //err, 內(nèi)存重疊

3. memmove()

memmove()功能用法和memcpy()一樣，區(qū)別在于：dest和src所指的內(nèi)存空間重疊時，memmove()仍然能處理，不過執(zhí)行效率比memcpy()低些。

4. memcmp()

#include <string.h> int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n); 功能：比較s1和s2所指向內(nèi)存區(qū)域的前n個字節(jié) 參數(shù)：s1：內(nèi)存首地址1s2：內(nèi)存首地址2n：需比較的前n個字節(jié) 返回值：相等：=0大于：>0小于：<0int a[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };int b[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };int flag = memcmp(a, b, sizeof(a));printf("flag = %d\n", flag);

4. 堆區(qū)內(nèi)存分配和釋放

1. malloc()

#include <stdlib.h> void *malloc(size_t size); 功能：在內(nèi)存的動態(tài)存儲區(qū)(堆區(qū))中分配一塊長度為size字節(jié)的連續(xù)區(qū)域，用來存放類型說明符指定的類型。分配的內(nèi)存空間內(nèi)容不確定，一般使用memset初始化。 參數(shù)：size：需要分配內(nèi)存大小(單位：字節(jié)) 返回值： 成功：分配空間的起始地址 失敗：NULL#include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h>int main(){int count, *array, n;printf("請輸入要申請數(shù)組的個數(shù):\n");scanf("%d", &n);array = (int *) malloc(n * sizeof(int));if (array == NULL) {printf("申請空間失敗!\n");return -1;}//將申請到空間清0memset(array, 0, sizeof(int) * n);for (count = 0; count < n; count++) /*給數(shù)組賦值*/array[count] = count;for (count = 0; count < n; count++) /*打印數(shù)組元素*/printf("%2d", array[count]);free(array);return 0; }

2. free()

#include <stdlib.h> void free(void *ptr); 功能：釋放ptr所指向的一塊內(nèi)存空間，ptr是一個任意類型的指針變量，指向被釋放區(qū)域的首地址。對同一內(nèi)存空間多次釋放會出錯。 參數(shù)： ptr：需要釋放空間的首地址，被釋放區(qū)應(yīng)是由malloc函數(shù)所分配的區(qū)域。 返回值：無

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3. 內(nèi)存分區(qū)代碼分析

1. 返回棧區(qū)地址

#include <stdio.h> int *fun() {int a = 10;return &a;//函數(shù)調(diào)用完畢，a釋放 }int main(int argc, char *argv[]) {int *p = NULL;p = fun();*p = 100; //操作野指針指向的內(nèi)存,errreturn 0; }

2. 返回data區(qū)地址

#include <stdio.h>int *fun() {static int a = 10;return &a; //函數(shù)調(diào)用完畢，a不釋放 }int main(int argc, char *argv[]) {int *p = NULL;p = fun();*p = 100; //okprintf("*p = %d\n", *p);return 0; }

3. 值傳遞1

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>void fun(int *tmp) {tmp = (int *) malloc(sizeof(int));*tmp = 100; }int main(int argc, char *argv[]) {int *p = NULL;fun(p); //值傳遞，形參修改不會影響實參printf("*p = %d\n", *p);//err，操作空指針指向的內(nèi)存return 0; }

4. 值傳遞2

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>void fun(int *tmp) {*tmp = 100; }int main(int argc, char *argv[]) {int *p = NULL;p = (int *) malloc(sizeof(int));fun(p); //值傳遞printf("*p = %d\n", *p); //ok，*p為100return 0; }

5. 返回堆區(qū)地址

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>int *fun() {int *tmp = NULL;tmp = (int *) malloc(sizeof(int));*tmp = 100;return tmp;//返回堆區(qū)地址，函數(shù)調(diào)用完畢，不釋放 }int main(int argc, char *argv[]) {int *p = NULL;p = fun();printf("*p = %d\n", *p);//ok//堆區(qū)空間，使用完畢，手動釋放if (p != NULL) {free(p);p = NULL;}return 0; } 超強干貨來襲 云風專訪：近40年碼齡，通宵達旦的技術(shù)人生

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C/C++学习之路_七: 内存管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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