C语言中的内存空间，内存分配malloc

简介：

现代计算机操作系统中，重要的一个功能就是内存管理。在Linux系统中，提供了malloc函数来进行内存的分配。对应的，内存释放函数式free。

在C语言中，可以用printf函数输出变量的值，包括变量被分配的地址，%d用于输出整形，%s用于输出字符串，而%p就用于输出变量的地址值。 

C语言程序的内存空间：

C语言程序包括以下几部分：

正文段：存放由CPU执行的机器指令，通常为只读；

初始化数据段：通常将此段称为数据段，它包含了程序中需赋初值的变量。

例如，C程序中任何函数之外的说明：

float PI= 3.14f;

使此变量以初值存放在初始化数据段中；

非初始化数据段：通常将此段称为b s s段，这一名称来源于早期汇编程序的一个操作符，意思是“block started by symbol（由符号开始的块）”。在程序开始执行之前，内核将此段初始化为0。

例如，函数外的说明：

long sum[1000] ;

使此变量存放在非初始化数据段中。

栈：自动变量以及每次函数调用时所需保存的信息都存放在此段中。

每次函数调用时，其返回地址、以及调用者的环境信息（例如某些机器寄存器）都存放在栈中。然后，新被调用的函数在栈上为其自动和临时变量分配存储空间。

通过以这种方式使用栈，C函数可以递归调用。

例如，

int main() {

    int x =10;  // 栈存储

    int y = 20; // 栈存储

    return 0;

}

堆：通常在堆中进行动态存储分配，例如用malloc函数分配的地址空间。由于历史上形成的惯例，堆位于非初始化数据段顶和栈底之间。

例如，

int main() {

    int x =10;  // 栈分配

    int y = 20; // 栈分配

    char *p = (char*)malloc(256); //堆分配

    return 0;

}

用malloc在堆中分配了一块内存空间，用p保存这个内存空间的首地址，用于后续访问这块内存。但p这个变量本身是在栈中分配的。

下图，是一个典型的C语言程序内存空间分布图：

 

内存地址的测试：

1.栈上分配的地址测试：

malloc_p.c，用于打印内存地址值。

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

int test1() {
	/*栈上分配，猜测，x和y的地址相邻*/
	int x = 10;
	int y = 20;

    /*预想： p = x的地址; &p =p的地址（而且，和y的地址相邻）; 实际结果：和预想的一样*/
	int *p = &x; 

	printf("x=%d, &x=%p\n",x,&x);
	printf("y=%d, &y=%p\n",y,&y);
	printf("p=%p, &p=%p\n",p,&p);
	printf("\n");

	return 0;
}

int main() {
	test1();

}

编译：用gcc命令进行编译：

gcc malloc_p.c

运行结果：

x=10, &x=0x7ffeed1df88c

y=20, &y=0x7ffeed1df888

p=0x7ffeed1df88c, &p=0x7ffeed1df880

 可以看到，

一，p的值就是x的地址，而p也有自己的地址；

二，x，y，p三个变量的地址都挨着。其实都是系统在堆栈上给分配的。

2.malloc地址测试：

再看一个复杂的例子，我们加上malloc函数，再进行对比：

    /*预想：q的值和p的值离的很远，因为，q的值是在堆中分配的，q本身的地址在栈中分配*/
	char *q = (char*)malloc(256);

	printf("q=%p, &q=%p\n",q,&q);
	printf("\n");

    /*一定要进行free，否则，就有内存泄露*/
    free(q);

 运行结果：

x=10, &x=0x7ffee115788c

y=20, &y=0x7ffee1157888

p=0x7ffee115788c, &p=0x7ffee1157880

q=0x7f7f0ac05990, &q=0x7ffee1157878

可见，和我们的预想结果一样，q本身的地址和其它变量的地址都紧挨着，它们的内存都是系统在栈上分配的；而q中存储的值，和其它的变量的地址离的特别远，其实，这个地址就是malloc在堆中分配的内存地址。 

3.静态存储区的地址测试： 

 我们再加上静态全局变量和非静态全局变量来看一下：

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

/*初始化数据段， 0x402000， 0x402004*/
/*m=1024, &m=0x402000
  n=2048, &n=0x402004*/
int m = 1024;
int n = 2048;

/*非初始化数据段，  0x403100*/
int arr[10];

/*静态存储，初始化数据段*/
int static MAX = 256;
int static MIN;

int test1() {
	/*栈上分配，猜测，x和y的地址相邻*/
	int x = 10;
	int y = 20;

    /*预想： p = x的地址; &p =p的地址（而且，和y的地址相邻）; 实际结果：和预想的一样*/
	int *p = &x; 

	printf("x=%d, &x=%p\n",x,&x);
	printf("y=%d, &y=%p\n",y,&y);
	printf("p=%p, &p=%p\n",p,&p);

    /*预想：q的值和p的值离的很远，因为，q的值是在堆中分配的，q本身的地址在栈中分配*/
	char *q = (char*)malloc(256);
	printf("q=%p, &q=%p\n",q,&q);
    
    /*初始化数据段*/
    printf("m=%d, &m=%p\n",m,&m);
	printf("n=%d, &n=%p\n",n,&n);
	printf("\n");

    /*非初始化数据段*/
	printf("arr[0]=%d,&arr[0]=%p\n",arr[0],&arr[0]);
	printf("&arr=%p\n",&arr);
	printf("\n");

    /*静态存储，初始化数据段*/
	printf("MAX=%d, &MAX=%p\n",MAX,&MAX);
	printf("MIN=%d, &MIN=%p\n",n,&MIN);
	printf("\n");
    
    /*一定要进行free，否则，就有内存泄露*/
    free(q);

	return 0;
}

int main() {
	test1();

}

运行结果：

x=10, &x=0x7ffeef42988c

y=20, &y=0x7ffeef429888

p=0x7ffeef42988c, &p=0x7ffeef429880

q=0x7ffcd2c05990, &q=0x7ffeed011878

/*1.初始化数据段*/

m=1024, &m=0x1007de010

n=2048, &n=0x1007de014

/*2.非初始化数据段*/

arr[0]=0,&arr[0]=0x1007de020

&arr=0x1007de020

/*3.静态存储，初始化数据段*/

MAX=256, &MAX=0x1007de018

MIN=2048, &MIN=0x1007de01c

 可以看出：

1）m,n,arr,arr,MAX,MIN的地址挨着，但和前面的栈中分配的x,y,p， 以及malloc分配的堆中的内存地址，都相隔甚远；

2）其实，m,n,arr,arr,MAX,MIN这些变量，对于系统在具体分配内存的时候，并无差别。虽然我们从逻辑上将其分成了初始化数据段中，非初始化数据段中，以及静态存储的初始化数据段。

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内存分配malloc，千万别忘了free。