C语言中的内存相关问题

　　内存是用来存储数据与程序的，对我们写程序来说非常重要。所以内存对程序来说几乎是本质需求。越简单的程序需要越少的内存，而越庞大越复杂的程序需要更多的内存。　　　

　　注意：在嵌入式系统中有ROM和RAM两类内存，程序被固化进ROM，变量和堆栈设在RAM中，用const定义的常量也会被放入ROM中，用const定义常量可以节省空间，避免不必要的内存分配

　　内存管理是我们写程序时很重要的话题。我们以前学过的了解过的很多编程的关键其实都是为了内存，譬如说数据结构（数据结构是研究数据如何组织的，数据是放在内存中的）和算法（算法是为了用更优秀的更有效的方法来加工数据，既然和数据有关就离不开内存）。

　　操作系统掌管所有的硬件内存，因为内存很大，所以操作系统把内存分成1个1个的页面（其实就是一块，一般是4KB），然后以页面为单位来管理。页面内用更细小的方式来以字节为单位管理。操作系统内存管理的原理非常麻烦、非常复杂、非常不人性化。那么对我们这些使用操作系统的人来说，其实不需要了解这些细节。操作系统给我们提供了内存管理的一些接口，我们只需要用API即可管理内存。C语言中编译器帮我们管理直接的内存地址，我们都是通过编译器提供的变量名等来访问内存的，操作系统下如果需要大块内存，可以通过API（malloc free）来访问系统内存。裸机程序中需要大块的内存需要自己来定义数组等来解决。C++语言：C++语言对内存的使用进一步封装。我们可以用new来创建对象（其实就是为对象分配内存），然后使用完了用delete来删除对象（其实就是释放内存）。所以C++语言对内存的管理比C要高级一些，容易一些。但是C++中内存的管理还是靠程序员自己来做。如果程序员new了一个对象，但是用完了忘记delete就会造成这个对象占用的内存不能释放，这就是所谓的内存泄漏。

内存空间逻辑组织　

　　A 静态数据区：内存在程序启动的时候才被分配，而且可能直到程序开始执行的时候才被初始化，如函数中的静态变量就是在程序第一次执行到定义该变量的代码时才被初始化。所分配的内存在程序的整个运行期间都存在，如全局变量，static变量等。

　　注意：初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量与静态变量在相邻的另一块区域，同时未被初始化的对象存储区可以通过void*来访问和操纵，程序结束后由系统自行释放。

　　B 代码区：存放函数体的二进制代码；

　　C 栈区：存放自动变量。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由编译器自动释放，超出其作用域外的操作没有定义。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但分配的内存容量有限。栈存放函数的参数值，局部变量的值等。

　　D 堆区（自由存储区）：在运行的时候调用程序（如C中的malloc或C++中的new）分配内存，可以在任何时候决定分配内存及分配的大小，用户自己负责在何时释放内存（如用free或delete）。堆中的所有东西都是匿名的，这样不能按名字访问，而只能通过指针访问。

　　堆需要一种策略来保存其内存是否已分配的信息。一种策略是建立一个可用块（自由存储区）的链表，每块由malloc分配的内存块都在自己的前面标明自己的大小，一般而言都经过边界对齐（alignment）处理，堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。

　　堆的末端由一个称为break 的指针来标识，当堆管理器需要更多内存时，它可以通过系统调用brk和sbrk来移动break指针，一般情况下不必显式地调用brk，如果分配的内存容量很大，brk会被自动调用。用于管理内存的调用有：

　　Malloc和free－－从堆中获得内存以及把内存返回给堆；

　　brk与sbrk――调整数据段的大小至一个绝对值（通过某个增量）。

　　注意：程序可能无法同时调用malloc()与brk()，因为如果使用了malloc，malloc希望当你调用brk与sbrk时，它具有唯一的控制权。由于sbrk向进程提供了唯一的方法将数据段内存返回给系统内核，所以如果使用了malloc，就有效地防止了程序的数据段缩小的可能性。

　　此处的堆与数据结构中的堆是两回事，它的分配方式类似于链表。

　　由于堆中的空间由用户负责分配及释放，因此需要注意内存泄漏的问题。

　　此外实际上堆区与自由存储区并不是一回事，详细信息见exceptional c++条款35。

　　E 文字常量区（常量数据区）：存放常量字符串等在编译期间就能确定的值，在程序结束后由系统自动释放。类对象不能存在于这个区域中。在本区域中所有的数据都是只读的，任何企图修改本区域数据的行为都会造成无法预料的后果。

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在文字常量区，p3在栈上。（如何得到文字常量地址？）
　　static int c =0；  //全局（静态）数据区
　　p1 = (char *)malloc(10);
　　p2 = (char *)malloc(20);   //分配得来的10和20字节的区域就在堆区。（如何得到？）
　　strcpy(p1, "123456");   //123456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。
}

堆与栈的区别：

二、堆和栈的理论知识    

1、申请方式    

　　stack：由系统自动分配。   例如，声明在函数中一个局部变量   int   b;   系统自动在栈中为b开辟空间 ；   　　

　　heap:需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数  

　　详情请看（http://www.cnblogs.com/jhmu0613/p/6915437.html）  

　　如：

p1 = (char *)malloc(10);    

　　在C++中用new运算符  

　　如：

p2 = new char[10]; 　　

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2、申请后系统的响应  

　　栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢  

出。    
　　堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。    
3、申请大小的限制    
　　栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。    
　　堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。 
4、申请效率的比较：    
　　栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。    
　　堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.    
　　另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。  
5、堆和栈中的存储内容    
　　栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。    
　　堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。    
6、存取效率的比较    

char   s1[]   =   "aaaaaaaaaaaaaaa";    
char   *s2   =   "bbbbbbbbbbbbbbbbb";    

　　aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；    
　　而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；    
　　但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。    
　　比如：    

#include    
void   main()    
{    
    char   a   =   1;    
    char   c[]   =   "1234567890";    
    char   *p   ="1234567890";    
    a   =   c[1];    
    a   =   p[1];    
    return;    
}    

　　对应的汇编代码    
　　10:   a   =   c[1];    
　　00401067   8A   4D   F1   mov   cl,byte   ptr   [ebp-0Fh]    
　　0040106A   88   4D   FC   mov   byte   ptr   [ebp-4],cl    
　　11:   a   =   p[1];    
　　0040106D   8B   55   EC   mov   edx,dword   ptr   [ebp-14h]    
　　00401070   8A   42   01   mov   al,byte   ptr   [edx+1]    
　　00401073   88   45   FC   mov   byte   ptr   [ebp-4],al    
　　第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到  
　　edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。    

7、是否产生碎片。

　　对于堆来讲，频繁的malloc/free（new/delete）势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低（虽然程序在退出后操作系统会对内存进行回收管理）。对于栈来讲，则不会存在这个问题。

变量的作用域：

　　C++变量根据定义的位置的不同的生命周期，具有不同的作用域，作用域可分为6种：

　　全局作用域，局部作用域，语句作用域，类作用域，命名空间作用域和文件作用域。

　　从作用域看：

　　1>全局变量具有全局作用域。全局变量只需在一个源文件中定义，就可以作用于所有的源文件。当然，其他不包含全局变量定义的源文件需要用extern 关键字再次声明这个全局变量。

　　2>静态局部变量具有局部作用域，它只被初始化一次，自从第一次被初始化直到程序运行结束都一直存在，它和全局变量的区别在于全局变量对所有的函数都是可见的，而静态局部变量只对定义自己的函数体始终可见。

　　3>局部变量也只有局部作用域，它是自动对象（auto），它在程序运行期间不是一直存在，而是只在函数执行期间存在，函数的一次调用执行结束后，变量被撤销，其所占用的内存也被收回。

　　4>静态全局变量也具有全局作用域，它与全局变量的区别在于如果程序包含多个文件的话，它作用于定义它的文件里，不能作用到其它文件里，即被static关键字修饰过的变量具有文件作用域。这样即使两个不同的源文件都定义了相同名字的静态全局变量，它们也是不同的变量。

　　2.从分配内存空间看：
　　1>全局变量，静态局部变量，静态全局变量都在静态存储区分配空间，而局部变量在栈里分配空间

　　2>全局变量本身就是静态存储方式， 静态全局变量当然也是静态存储方式。这两者在存储方式上并无不同。这两者的区别虽在于非静态全局变量的作用域是整个源程序，当一个源程序由多个源文件组成时，非静态的全局变量在各个源文件中都是有效的。而静态全局变量则限制了其作用域，即只在定义该变量的源文件内有效，在同一源程序的其它源文件中不能使用它。由于静态全局变量的作用域局限于一个源文件内，只能为该源文件内的函数公用，因此可以避免在其它源文件中引起错误。

指针与数组的对比
　　c程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的数组要么在静态存储区被创建(如全局数组)，要么在栈上被创建。数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地址与容量在生命周期内保持不变，只有数组的内容可以改变指针可以随时指向任意类型的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活，但也更危险。

修改内容
　　字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello。a的内容可以修改，例如a[0]='x'.指针p指向常量字符串“world”（位于静态存储区，内容为world），常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器并不觉得语句p[0]='x'有什么不妥，但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误；

#include <stdio.h> 
  
int main() 
{ 
    char a[] = "hello"; 
    a[0] = 'x';                  //可以修改
  
    printf("%s
", a); 
  
    char *p = "wrold"; 
    p[0] = 'x';                 //不可修改
    printf("%s
", p); 
  
    return 0; 
} 

内容复制与比较
　　不能对数组名进行直接复制与比较。若想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句 b = a，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理，比较b和a的内容是否相同，应该用标准库函数strcmp进行比较

　　语句p = a并不能把a的内容复制指针p，而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)1个字符的内存，再用strcpy进行字符串复制。同理，语句if(p == a)比较的不是内容而是地址，应该用库函数strcmp来比较；

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

int main() 
{ 
    char a[] = "hello"; 
    char b[10]; 

    strcpy(b, a); //不能用b = a 

    int len = strlen(a); 
    char *p = (char *)malloc((len + 1) * sizeof(char)); 

    strcpy(p, a); 

    if (strcmp(p, a) == 0) { 
        printf("p和a是相等的！
"); 
    } 

    free(p); 
    return 0; 
} 

计算内存容量
　　用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。sizeof(a)的值是12.指向p指向a，但是sizeof(p)的值却是4.这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数(32bit机器内存地址为32bit),相当于sizeof(char *),而不是p所指的内存容量。

　　注意当数组作为函数的参数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针。不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)

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

void funC(char *a); 

int main() 
{ 
    char a[] = "hello"; 
    char *p = a; 

    printf("%d
", sizeof(a)); // 6字节 
    printf("%d
", sizeof(p)); // 4字节 

    funC(a); 
    return 0; 
} 

void funC(char *a) 
{ 
    printf("%d
", sizeof(a)); // 4字节而不是6字节 
} 

指针参数是如何传递内存的
　　如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。示例中，Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存，str依旧是NULL，为什么？

　　问题出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数p的副本是_p,编译器使_p = p.如果函数体内的程序修改了_p的内容，就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p申请了新的内存，只是把_p所指的内存地址改变了，但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory就会泄漏一块内存，因为没有用free释放内存；

　　我们可以用函数返回值来传递动态内存，这种方法更简单，见getMemory；

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

void GetMemory(char *p, int num) 
{ 
    p = (char*)malloc(sizeof(char) * num); 
} 

char* getMemory(char *p, int num) 
{ 
    p = (char *)malloc(sizeof(char) * num); 
    return p; 
} 

int main() 
{ 
    char *str = NULL; 
    str = getMemory(str, 200); 
    strcpy(str, "hello world!"); //运行错误 
    printf("%s", str); 
    free(str); 
    return 0; 
} 

注意：
　　用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向”栈内存“的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡。

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

char* getArray(void) 
{ 
    char p[] = "hello world!"; 
    return p; // 编译器提出警告 
} 
int main() 
{ 
    char *str = NULL; 
    str = getArray(); 
    printf("%s
", str); // str指向的内容是垃圾 
    free(str); 
    return 0; 
} 

杜绝“野指针”

　　"野指针"不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。“野指针”的成因主要有两种：

　　指针变量没有初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应该被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存，例如：

char *p = NULL; 
char *str = (char *)malloc(sizeof(char) * 100); 

内存耗尽怎么办
　　如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块，malloc函数将返回NULL指针，宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题

　　判断指针是否为NULL，如果是则马上用return语句终止本函数。例如：

char* getPoint() 
{ 
    char *p = malloc(sizeof(char) * 100); 
    if (p == NULL) { 
        return null; 
    } 
} 

　　判断指针是否为NULL，如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行（我经常用也是推荐做法）：

char* getPoint() 
{ 
    char *p = malloc(sizeof(char) * 100); 
    if (p == NULL) { 
        exit(1); 
    } 
} 

 　　为new和malloc设置异常处理函数；