C语言第六章之内存分布,内存管理

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内存分布

C代码编译过程

预处理

- 宏定义展开、头文件展开、条件编译，这里并不会检查语法

编译

- 检查语法，将预处理后文件编译生成汇编文件

汇编

- 将汇编文件生成目标文件(二进制文件)

链接

- 将目标文件链接为可执行程序

进程的内存分布

程序运行起来(没有结束前)就是一个进程
对于一个C语言程序而言，内存空间主要由五个部分组成代码区(text)、数据区(data)、未初始化数据区(bss)，堆(heap) 和栈(stack) 组成

- 有些人直接把data和bss合起来叫做静态区或全局区

代码区（text segment）

- 加载的是可执行文件代码段，所有的可执行代码都加载到代码区，这块内存是不可以在运行期间修改的。

未初始化数据区（BSS）

- 加载的是可执行文件BSS段，位置可以分开亦可以紧靠数据段，存储于数据段的数据（全局未初始化，静态未初始化数据）的生存周期为整个程序运行过程。

全局初始化数据区/静态数据区（data segment）

- 加载的是可执行文件数据段，存储于数据段（全局初始化，静态初始化数据，文字常量(只读)）的数据的生存周期为整个程序运行过程。

栈区（stack）

- 栈是一种先进后出的内存结构，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、返回值、局部变量等。在程序运行过程中实时加载和释放，因此，局部变量的生存周期为申请到释放该段栈空间。

堆区（heap）

- 堆是一个大容器，它的容量要远远大于栈，但没有栈那样先进后出的顺序。用于动态内存分配。堆在内存中位于BSS区和栈区之间。一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收。

堆区内存的使用

malloc函数说明

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
功能：在内存的动态存储区(堆区)中分配一块长度为size字节的连续区域，用来存放类型说明符指定的类型。
	分配的内存空间内容不确定。
参数：
	size：需要分配内存大小(单位：字节)
返回值：
    成功：分配空间的起始地址
    失败：NULL

free函数说明

#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);
功能：释放ptr所指向的一块内存空间，ptr是一个任意类型的指针变量，指向被释放区域的首地址。
	对同一内存空间多次释放会出错。
参数：
	ptr：需要释放空间的首地址，被释放区应是由malloc函数所分配的区域。
返回值：无

实例代码

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int i, *arr, n;
    printf("请输入要申请数组的个数: ");
    scanf("%d", &n);

    // 堆区申请 n * sizeof(int) 空间，等价int arr[n]
    arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));
    if (arr == NULL) { // 如果申请失败，提前中断函数
        printf("申请空间失败!\n");
        return -1;
    }

    for (i = 0; i < n; i++){
        // 给数组赋值
        arr[i] = i;
    }

    for (i = 0; i < n; i++) {
        // 输出数组每个元素的值
        printf("%d, ", *(arr+i));
    }
    
    // 释放堆区空间
    free(arr);

    return 0;
}

内存分布代码分析

返回栈区地址

#include <stdio.h>

int *func() {
    int a = 10;
    return &a; // 函数调用完毕，因为a是局部变量，a释放
}

int main() {
    int *p = NULL;
    p = func();
    *p = 100; // 操作野指针指向的内存,err
    printf("11111111111111111\n"); // 这句话可能执行不到，因为上一句话报错

    return 0;
}

返回Data区地址

在函数内部使用static修饰的变量称为静态局部变量
它在程序运行期间只被初始化一次，并且在函数调用结束后也不会被销毁

#include <stdio.h>

int *func() {
    // 静态局部变量，只会初始化一次
    static int a = 10;
    return &a; // 函数调用完毕，a不释放
}

int main() {
    int *p = NULL;
    p = func();
    *p = 100; // ok
    printf("*p = %d\n", *p);

    return 0;
}

返回堆区地址

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int *func() {
    int *tmp = NULL;
    // 堆区申请空间
    tmp = (int *)malloc(sizeof(int));
    *tmp = 100;
    return tmp; // 返回堆区地址，函数调用完毕，不释放
}

int main() {
    int *p = NULL;
    p = func();
    printf("*p = %d\n", *p); // ok

    // 堆区空间，使用完毕，手动释放
    if (p != NULL) {
        free(p);
        p = NULL;
    }

    return 0;
}

普通局部变量和静态局部变量区别

存储位置

普通局部变量存储在栈上

静态局部变量存储在静态存储区

生命周期

当函数执行完毕时，普通局部变量会被销毁

静态局部变量的生命周期则是整个程序运行期间，即使函数调用结束，静态局部变量的值也会被保留

初始值

普通局部变量在每次函数调用时都会被初始化，它们的初始值是不确定的，除非显式地进行初始化

静态局部变量在第一次函数调用时会被初始化，然后保持其值不变，直到程序结束

#include <stdio.h>

void normal_func() {
    int i = 0;
    i++;
    printf("局部变量 i = %d\n", i);
}

void static_func() {
    static int j = 0;
    j++;
    printf("static局部变量 j = %d\n", j);
}

int main() {
    // 调用3次normal_func()
    normal_func();
    normal_func();
    normal_func();

    // 调用3次static_func()
    static_func();
    static_func();
    static_func();

    return 0;
}

运行结果

局部变量 i = 1
局部变量 i = 1
局部变量 i = 1
static局部变量 j = 1
static局部变量 j = 2
static局部变量 j = 3