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一、学习目标：
- 知识点：
- 一文掌握 C 语内存镜像关系
- 掌握编程时各代码位置的实际分布内存
- 简单了解字符操作函数的应用
二、内存镜像
什么是进程
进程与程序的关系：
程序： 是一个静态的文件，文件内存储的是一系列的二进制执行指令 （gcc hello.c -o hello ） 其中 Hello 就是一个程序文件。
进程：则是把一个程序文件加载到内存中由 CPU 去执行对应的指令的一个过程，因此进程是一个动态的过程，这个动态的过程会有一些列对与内存的申请和释放操作。
本小节就详细了解进程在运行过程中究竟是怎么申请内存空间，以及申请到的内存分别有什么特性。
C进程内存布局
任何一个程序，正常运行都需要内存资源，用来存放诸如变量、常量、函数代码等等。这些不同的内容，所存储的内存区域是不同的，且不同的区域有不同的特性。因此我们需要研究财经处内存布局，逐个了解不同内存区域的特性。
每个C语言进程都拥有一片结构相同的虚拟内存，所谓的虚拟内存，就是从实际物理内存映射出来的地址规范范围，最重要的特征是所有的虚拟内存布局都是相同的，极大地方便内核管理不同的进程。例如三个完全不相干的进程p1、p2、p3，它们很显然会占据不同区段的物理内存，但经过系统的变换和映射，它们的虚拟内存的布局是完全一样的。
- PM：Physical Memory，物理内存。
- VM：Virtual Memory，虚拟内存。
将其中一个C语言含如进程的虚拟内存放大来看，会发现其内部包下区域：
- 栈（stack）
- 堆（heap）
- 数据段
- 代码段
虚拟内存中，内核区段对于应用程序而言是禁闭的，它们用于存放操作系统的关键性代码，另外由于 Linux 系统的历史性原因，在虚拟内存的最底端 0x0 ~ 0x08048000 之间也有一段禁闭的区段，该区段也是不可访问的。
虚拟内存中各个区段的详细内容:
栈内存
- 什么东西存储在栈内存中？
- 环境变量 （比如库文件的路径、头文件的路径、可执行文件的路径等都被记录与环境变量中）
- 命令行参数 （比如执行程序时从命令行中携带的参数：./a.out 123 456 Hello ）
- 局部变量（包括形参） （所有在函数体内定义的变量）
- 栈内存有什么特点？
- 空间有限，尤其在嵌入式环境下。因此不可以用来存储尺寸太大的变量。
- 每当一个函数被调用，栈就会向下增长一段，用以存储该函数的局部变量。
- 每当一个函数退出，栈就会向上缩减一段，将该函数的局部变量所占内存归还给系统。
- 注意：
栈内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。
void func(int a, int *p) // 在函数 func 的栈内存中分配
{
double f1, f2; // 在函数 func 的栈内存中分配
... // 退出函数 func 时，系统的栈向上缩减，释放内存
}
int main(void)
{
int m = 100; // 在函数 main 的栈内存中分配
func(m, &m); // 调用func时，系统的栈内存向下增长
}地址验证：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{
char * path = getenv("PATH");
int a = 123 ;
char * ptr = NULL ;
// 输出各项地址 高地址 --> 低地址
printf("***********环境变量**********\n");
printf("path:%p\n" , path );
printf("***********命令行参数**********\n");
for (int i = 0; i < argc; i++)
{
printf("argv[%d]:%p\n" , i , argv[i] );
}
printf("***********局部变量**********\n");
printf("argc:%p\n" , &argc);
printf("argv:%p\n" , &argv);
printf("path:%p\n" , &path);
printf("a:%p\n" , &a);
printf("ptr:%p\n" , &ptr);
return 0;
}
静态数据
C语言中，静态数据有两种：
- 全局变量：定义在函数外部的变量。 （定义在函数体之外）
- 静态局部变量：定义在函数内部，且被static修饰的局部变量。
- 示例：
int a; // 全局变量，退出整个程序之前不会释放
void f(void)
{
static int b; // 静态局部变量，退出整个程序之前不会释放
printf("%d\n", b);
b++;
}
int main(void)
{
f();
f(); // 重复调用函数 f()，会使静态局部变量 b 的值不断增大
}为什么需要静态数据？
- 全局变量在默认的情况下，对所有文件可见，为某些需要在各个不同文件和函数间访问的数据提供操作上的方便。
- 当我们希望一个函数退出后依然能保留局部变量的值，以便于下次调用时还能用时（记录上一次调用时的状态），静态局部变量可帮助实现这样的功能。
- 注意1：
- 若定义时未初始化，则系统会将所有的静态数据自动初始化为0
- 静态数据初始化语句，只会执行一遍。
- 静态数据从程序开始运行时便已存在，直到程序退出时才释放。
- 注意2：
- static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据存储于数据段中。
- static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见的静态数据。
- static修饰函数：使之由各文件可见的函数，变成了本文件可见的静态函数。
数据段（存储静态数据）与代码段
- 数据段细分成如下几个区域：
- .bss 段：存放未初始化的静态数据，它们将被系统自动初始化为0
- .data段：存放已初始化的静态数据
- .rodata段：存放常量数据 （ro -> read Only ）
- 代码段细分成如下几个区域：
- .text段：存放用户代码 (比如自己写的函数 main \ func \ test)
- .init段：存放系统初始化代码( 由对应的编译器自动添加到程序中去 用于初始化该程序的内存空间)
int a; // 未初始化的全局变量，放置在.bss 中
int b = 100; // 已初始化的全局变量，放置在.data 中
int main(void)
{
static int c; // 未初始化的静态局部变量，放置在.bss 中
static int d = 200; // 已初始化的静态局部变量，放置在.data 中
// 以上代码中的常量100、200防止在.rodata 中
}
- 注意：数据段和代码段内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。
const + static 同时修饰一个变量：
// 被static 修饰后 kk 的内存在数据段中申请
// 再加一个 修改 const 则修饰为 read only 数据
// 最终 kK 的内存被分配到 .rodata
const static int kk = 123 ; // 存储于.rodata 不允许修改
// int * p_kk = &kk ;
// *p_kk = 4333 ; // 尝试从侧面偷偷修改这个数据会导致段错误
// const 修改一个普通的变量，并不会改变该变量的存储区域，因此它依然在栈中
const int bb = 456 ; // 存储于栈 可以被偷偷修改
int * p_bb = &bb ;
*p_bb = 45435 ;
printf("bb:%d\n" , bb );
堆内存
堆内存（heap）又被称为动态内存、自由内存，简称堆。堆是唯一可被开发者自定义的区段，开发者可以根据需要申请内存的大小、决定使用的时间长短等。但又由于这是一块系统“飞地”，所有的细节均由开发者自己把握，系统不对此做任何干预，给予开发者绝对的“自由”，但也正因如此，对开发者的内存管理提出了很高的要求。对堆内存的合理使用，几乎是软件开发中的一个永恒的话题。
- 堆内存基本特征：
- 相比栈内存，堆的总大小仅受限于物理内存，在物理内存允许的范围内，系统对堆内存的申请不做限制。
- 相比栈内存，堆内存从下往上增长。
- 堆内存是匿名的，只能由指针来访问。
- 自定义分配的堆内存，除非开发者主动释放，否则永不释放，直到程序退出。
- 相关API：
- 申请堆内存：malloc() / calloc() /realloc () / reallocarray()
- 清零堆内存：bzero()
- 设置内存值：memset ()
- 释放堆内存：free()
API 分析：
malloc (配置内存空间)
头文件 ：
#include <stdlib.h>
定义函数 ：
void *malloc(size_t size);
参数分析：
size --> 需要申请的堆内存区的大小
返回值：
若配置成功则返回一指针，指向该内存区
失败则返回 NULL.free (释放原先配置的内存)
头文件：
#include <stdlib.h>
定义函数：
void free(void *ptr);
参数分析：
ptr --> 需要释放的内存空间的【入口地址】
返回值：
无calloc (配置内存空间)
该函会把申请到的内存空间进行初始化清空为 0 ，而malloc 则不会进行初始化操作；
头文件:
#include <stdlib.h>
定义函数:
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
参数分析：
nmemb --> 需要申请连续内存卡的数量
size --> 每一个内存块的大小
返回值：
成功： 返回成功申请到的堆内存地址
失败： 返回 NULL memset (将一段内存空间填入某值)
头文件：
#include <string.h>
定义函数：
void * memset(void *s, int c, size_t n);
参数分析:
s --> 需要设置的数据
c --> 需要设置的具体数据的值 【必须是 一个字节的大小 0 - 255】
n --> 需要设置的内存区大小
返回值：
成功：返回 s 指针
失败：返回NULL 实例：
// 进按字节行设置
// 从ptr 开始 按【每一个字节】填入一个 97 一共填入 6个
memset( ptr , 97 , 6 );
memset( ptr , 'a' , 6 );
bzero ( ptr , 6 ) ; // 设置ptr 的前6个字节的内存空间为 0 realloc (重新对堆内存空间进行调整（大小）)
void *realloc(void *ptr, size_t size);
参数分析：
ptr --> 需要重新设置的内存入口地址
size --> 新的大小 , 如果为 0 则相当于free 释放现有的内存
返回值：
成功 返回新的入口地址 ， 并free原先的地址
失败 返回NULL 注意：
如果发生地址移动则该函数会释放原先的地址
并把原先内存中的数据拷贝到新地址中
如果是缩小的一般会不出现新的地址， 但是后面的数据不应该再进行访问，属于非法。
reallocarray (重新对堆内存空间进行调整（大小）)
void *reallocarray(void *ptr, size_t nmemb, size_t size);
函数分析：
ptr --> 需要调整大小的地址
nmemb --> 新内存的数量 （多少块）
size --> 每一块的大小
返回值：
成功 返回新的入口地址， 并free原先的地址
失败 返回NULL - 注意：
- malloc()申请的堆内存，默认情况下是随机值(不会清空内存)，一般需要用 bzero() 、 memset() 来清零。
- calloc()申请的堆内存，默认情况下是已经清零了的，不需要再清零。
- free()只能释放堆内存，并且只能释放整块堆内存(并且参数ptr必须是申请时的入口地址)，不能释放别的区段的内存或者释放一部分堆内存。
- 释放内存的含义：
- 释放内存意味着将内存的使用权归还给系统。
- 释放内存并不会改变指针的指向。
- 释放内存并不会对内存做任何修改，更不会将内存清零。
- 因此在free（ptr ） 之后，ptr 变成了一个野指针， 应该 ptr = NULL ;
三、字符操作函数
函数strstr
- 示例：
char *s = "abcd.txt";
char *p = strstr(s, ".wps");
if(p == NULL)
printf("文件[%s]不是WPS文件\n", s);
else
printf("文件[%s]是WPS文件\n", s);函数strlen
- 示例：
char *s = "www.yueqian.com.cn";
printf("粤嵌官网地址的长度是：%d\n", strlen(s));strlen与sizeof的区别
char * msg = "Hello \0 Even Nihao GZ2351";
// strlen 计算的过程中遇到 \0 结束符则直接停止工作，
// 因此, 对于以上例子中 msg 内有 \0 则结算到该结束符就停止计算并返回
size_t len = strlen(msg);
printf("Len:%ld\n" , len );
// strlen 与sizeof 的区别：
// strlen 计算的是字符串的长度
// sizeof 计算的是变量或类型的大小
size_t size = sizeof(msg);
printf("size:%ld\n" , size);
char arr [] = "Hello GZ2351";
printf("strlen(arr):%ld\n" , strlen(arr)); // 计算数据的长度
printf("sizeof(arr):%ld\n" , sizeof(arr)); // 计算变量的大小
// bzero(arr , 100);
// 数组总大小 / 某个元素大小 * 每一个元素的尺寸 = 数组所占内存尺寸
memset(arr , 0 , sizeof(arr)/sizeof(arr[0]) * sizeof(char) );
printf("strlen(arr):%ld\n" , strlen(arr)); // 计算数据的长度 0
printf("sizeof(arr):%ld\n" , sizeof(arr)); // 计算变量的大小 100函数strtok
- 注意：
-
- 该函数会将改变原始字符串 str，使其所包含的所有分隔符变成结束标记 ‘\0’ 。
- 由于该函数需要更改字符串 str，因此 str 指向的内存必须是可写的。
- 首次调用时 str 指向原始字符串，此后每次调用 str 用 NULL 代替。
- 参数delim 是一个字符串，实际上会认为给字符串中的没有给字符都是分隔符。如 delime = "-@;" 在分割的过程中只要与到- 或 @ 或 ; 都会进行分割
- 示例：
char s[20] = "www.yueqian.com.cn";
char *p = strtok(s, "."); // 首次调用时，s 指向需要分割的字符串
while(p != NULL)
{
printf("%s\n", p);
p = strtok(NULL, "."); // 此后每次调用，均使用 NULL 代替。
}
注：上述代码的运行结果就是将字符串 s 拆解为"www"、“yueqian”、“com” 和 “cn”
函数strcat与strncat
- 注意：
-
- 这两个函数的功能，都是将 src 中的字符串，复制拼接到 dest 的末尾。
- strcat() 没有边界控制，因此可能会由于 src 的过长而导致内存溢出。
- strncat() 有边界控制，最多复制 n+1 个字符（其中最后一个是 ‘\0’ ）到 dest 的末尾。
- n 的大小应该通过计算得到 目标地址的空余量 - 1
- 示例：
char s1[10] = "abc";
strcat(s1, "xyz");
printf("%s\n", s1); // 输出 "abcxyz"
char s2[10] = "abc";
strcat(s3, "123456789"); // 此处操作内存溢出，可能会发生内存崩溃
char s[10] = "abc";
strncat(s, "123456789", sizeof(s)-strlen(s)-1);
printf("%s\n", s); // 输出 "abc123456"，两个字符串被拼接到了一起，且不会溢出
- 注意：strncat()是具备边界检查的安全版本，推荐使用。
函数strcpy与strncpy
- 注意：
-
- 这两个函数的功能，都是将 src 中的字符串，复制到 dest 中。
- strcpy() 没有边界控制，因此可能会由于 src 的过长而导致内存溢出。
- strncpy() 有边界控制，最多复制 n-1 个字符（其中最后一个是 ‘\0’ ）到 dest 中。
char s1[5] = "abc";
strcpy(s1, "xyz);
printf("%s\n", s1); // 输出 "xyz"，原有的"abc"被覆盖
char s2[5] = "abc";
strcpy(s2, "123456789"); // 此处操作内存溢出，可能会发生内存崩溃- 注意：strncpy()是具备边界检查的安全版本，推荐使用。
函数strcmp与strncmp
- 注意：
- 比较字符串大小，实际上比较的是字符的 ASCII码值的大小。
- 从左到右逐个比较两个字符串的每一个字符，当能“决出胜负”时立刻停止比较。
- 示例：
printf("%d\n", strcmp("abc", "abc")); // 输出0，两个字符串相等
printf("%d\n", strcmp("abc", "aBc")); // 输出1，"abc" 大于 "aBc"
printf("%d\n", strcmp("999", "aaa")); // 输出-1，"999" 小于 "aaa"函数strchr与strrchr
- 注意：
-
- 这两个函数的功能，都是在指定的字符串 s 中，试图找到字符 c。
- strchr() 从左往右找，strrchr() 从右往左找。
- 字符串结束标记 ‘\0’ 被认为是字符串的一部分。
memcmp (比较内存内容)
头文件:
#include <string.h>
定义函数:
int memcmp (const void *s1, const void *s2, size_t n);
参数分析：
s1 --> 需要比较的内存1
s2 --> 需要比较的内存1
n --> 需要比较的内存区大小
返回值：
相同 返回 0
不同 返回差值
memcpy (内存内容的拷贝)
头文件：
#include <string.h>
函数原型：
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
参数分析：
dest --> 目标地址
src --> 原地址
n --> 期望拷贝的字节数
返回值：
成功返回 dest
失败返回 NULL 总结：
strxxxx 类型的函数在执行过程中有多个结束条件
- 遇到字符串中的 '\0' 结束符
- 如果strnxxx 则到达一个指定的大小条件
strcpy( buf1 , buf2 ); // 结束条件只有一个 遇到\0 结束符
strncpy( buf1 , buf2 , 10 ); // 结束条件有两个 ： 遇到\0 结束符 + 达到期望值10个字节memxxx 类型的函数他执行过程中只有一个结束条件，就是达到用户的期望值。遇到结束符则把结束符也当成比较或拷贝的目标。
四、总结
本文介绍了C的编程时各代码位置的实际分布内存，还有字符操作函数等其他知识。理解本文所有知识点后，便可打败其中的小怪，拿下经验值~
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