嵌入式C学习

内存操作

什么是内存

从硬件角度：内存实际上是电脑的一个配件（一般叫内存条）。根据不同的硬件实现原理还可以把内存分成SRAM和DRAM。

从逻辑角度：内存是这样一种东西，它可以随机访问（随机访问的意思是只要给一个地址，就可以访问这个内存地址）、并且可以读写(当然了逻辑上也可以限制其为只读或者只写)；内存在编程中天然是用来存放变量的（就是因为有了内存，所以C语言才能定义变量，C语言中的一个变量实际就对应内存中的一个单元）。
用户应用程序大致结构图如下所示：

C语言的代码内存布局

1…text即为代码段，只读，通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域属于只读。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。
2…bss段包含程序中未初始化的全局变量和static变量。
3…data段即为数据段，存放的是程序中已初始化的全局变量、静态变量。
4.堆（heap）：用于存放进程运行中被动态分配的内存段，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）。其概念与数据结构中“堆”的概念不同。
5.栈 (stack)：栈又称堆栈， 存放函数内部的局部变量、参数和返回地址，局部变量也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。由于栈的先进先出(LIFO)特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区（因为函数的局部变量存放在此，因此其访问方式应该是栈指针加偏移的方式，否则若通过push、pop操作来访问相当麻烦）

int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区

main()
{
 int b; //栈
 char s[] = "abc"; //栈
 char *p2; //栈
 char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区
 static int c =0;//全局（静态）初始化区
 p1 = (char *)malloc(10); 
 p2 = (char *)malloc(20);//分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
 strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。  
} 

此外，还有realloc(重新分配内存)、calloc（初始化为0）、alloca（在栈上申请内存，自动释放）等。

补充：全局变量与全局静态变量的区别：
(a）若程序由一个源文件构成时，全局变量与全局静态变量没有区别。
(b)若程序由多个源文件构成时，全局变量与全局静态变量不同：全局静态变量使得该变量成为定义该变量的源文件所独享，即：全局静态变量对组成该程序的其它源文件是无效的。
©具有外部链接的静态；可以在所有源文件里调用；除了本文件，其他文件可以通过extern的方式引用；

C语言中的常见的三种内存分配方式

常见三种分配方式：

静态存储区域分配：
内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在，例如全局变量，static变量。

在栈上创建：
在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

从堆上分配：
动态内存分配，程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也是最多。

内存分配算法

固定内存分配

固定内存分配算法是最简单的算法，也是最好理解的算法。比如说有16M内存，现在我们假设分配的基本内存是4K，那么总共有16M/4K = 4K个单元。所以，如果用户想申请内存，最多就是4K次。如果用户想要多一点内存，那么系统把相邻的内存分给用户使用即可。

链表内存分配

固定内存分配虽然好，但是还有一个缺点，那就是如果存在很多的浪费机会。试想一下，如果用户只要几十个byte，那么也要分配给它4K个字节，浪费的空间超过了99%。所以在此基础之上，我们提出了链表内存算法。链表算法中保存有空闲结点，内存释放的时候，那么内存查到空闲结点，该合并合并，该释放的释放；当然如果要申请内存的话，那方法就多了去了，可以最差申请、最优申请、最好申请，这些都是可以的。

伙伴算法

链表算法相比较固定内存算法，可以节省不少内存。但是链表算法本身有一个特点，那就是容易形成内存碎片。所以，我们可以结合固定分配和链表算法的特点，把内存分配成8、16、32、64、128、256、512大小的几种链表。链表内部的大小都是相同的，链表之间是倍数的关系。分配内存的时候，我们首先寻找最合适的链表，然后分配内存，如果内存空间不够，可以向高一级的内存链表申请，这样拆解下来的内存可以分配到低一级别的链表；释放内存的时候，我们也要注意内存的合并和组合。

基于内存池的伙伴算法

伙伴算法固然好，但是如果某一种内存申请特别频繁，那么在伙伴算法中就需要进行反复的拆分和合并处理。一方面，这会影响了内存的分配效率，另外一方面也比较容易造成内存的分配碎片。所以，我们可以在伙伴算法的基础之上构建一个内存池，在内存释放的时候，只是标注当前内存不再使用，但是并没有真正释放，等到内存池中所有的内存都不再使用的时候再进行释放，这在一定的程度上会提高内存的分配效率。特别是系统运行一段时间后，这种效果是特别明显的。

工作集算法

工作集的算法本质上说不是一种算法，它只是一种基本思想。我们知道，在系统稳定之后，内存中分配的大小、配置的比例关系都是相对固定的，变化不是特别大。如果我们可以把这些数据给记录下来，在系统启动的时候预先分配好这些内存，那么不就可以提升系统的启动速度了吗？当然工作集中的参数设定更多的是一种经验值，它需要我们综合各种因素进行分析，反复比较才会得出比较好的结果。

指针

指针，是C语言中的一个重要概念及其特点，也是掌握C语言比较困难的部分。指针也就是内存地址，指针变量是用来存放内存地址的变量，不同类型的指针变量所占用的存储单元长度是相同的，而存放数据的变量因数据的类型不同，所占用的存储空间长度也不同。有了指针以后，不仅可以对数据本身，也可以对存储数据的变量地址进行操作。
指针是一个占据存储空间的实体在这一段空间起始位置的相对距离值。在C/C++语言中，指针一般被认为是指针变量，指针变量的内容存储的是其指向的对象的首地址，指向的对象可以是变量（指针变量也是变量），数组，函数等占据存储空间的实体。

地址与指针

指针相对于一个内存单元来说，指的是单元的地址，该单元的内容里面存放的是数据。在C语言中，允许用指针变量来存放指针，因此，一个指针变量的值就是某个内存单元的地址或称为某内存单元的指针。

指针变量及其定义

指针变量是存放一个变量地址的变量，不同于其他类型变量，它是专门用来存放内存地址的，也称为地址变量。定义指针变量的一般形式为：类型说明符*变量名。
类型说明符表示指针变量所指向变量的数据类型；表示这是一个指针变量；变量名表示定义的指针变量名，其值是一个地址，例如：charp1;表示p1是一个指针变量，它的值是某个字符变量的地址。

结构体指针

用指针引用结构体变量成员的方式是：
(*指针变量名).成员名
注意，p 两边的括号不可省略，因为成员运算符“.”的优先级高于指针运算符“”，所以如果 *p 两边的括号省略的话，那么 *p.num就等价于 *(p.num) 了。
此外为了使用的方便和直观，用指针引用结构体变量成员的方式：

(*指针变量名).成员名

可以直接用：

指针变量名->成员名

来代替，它们是等价的。“->”是“指向结构体成员运算符”，它的优先级同结构体成员运算符“.”一样高。p->num 的含义是：指针变量 p 所指向的结构体变量中的 num 成员。p->num 最终代表的就是 num 这个成员中的内容。