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C語言和其他高級語言的最大的區(qū)別是什么? 提到C語言，我們知道C語言和其他高級語言的最大的區(qū)別就是C語言是要操作內(nèi)存的！ 我們需要知道——變量，其實是內(nèi)存地址的一個抽像名字罷了。在靜態(tài)編譯的程序中，所有的變量名都會在編譯時被轉(zhuǎn)成內(nèi)存地址。機器是不知道我們?nèi)〉拿值模恢赖刂贰?br /> 內(nèi)存的使用是程序設(shè)計中需要考慮的重要因素之一，這不僅由于系統(tǒng)內(nèi)存是有限的（尤其在嵌入式系統(tǒng)中），而且內(nèi)存分配也會直接影響到程序的效率。因此，我們要對C語言中的內(nèi)存管理，有個系統(tǒng)的了解。 在C語言中，定義了4個內(nèi)存區(qū)間：代碼區(qū)、全局變量和靜態(tài)變量區(qū)、局部變量區(qū)即棧區(qū)、動態(tài)存儲區(qū)，即堆區(qū)。具體如下： 1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。 2、堆區(qū)（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，呵呵。 3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的 另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。 4、常量區(qū) —常量字符串就是放在這里的。 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。 5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。 我們來看張圖： 首先我們要知道，源代碼編譯成程序，程序是放在硬盤上的，而非內(nèi)存里！只有執(zhí)行時才會被調(diào)用到內(nèi)存中！ 我們來看看程序結(jié)構(gòu)，ELF是是Linux的主要可執(zhí)行文件格式。ELF文件由4部分組成，分別是ELF頭（ELF header）、程序頭表（Program header table）、節(jié)（Section）和節(jié)頭表（Section header table）。具體如下： 1、Program header描述的是一個段在文件中的位置、大小以及它被放進內(nèi)存后所在的位置和大小。即要加載的信息； 2、Sections保存著object 文件的信息，從連接角度看：包括指令，數(shù)據(jù)，符號表，重定位信息等等。在圖中，我們可以看到Sections中包括： (1) .text 文本結(jié) 存放指令； (2) .rodata 數(shù)據(jù)結(jié) readonly; (3) .data 數(shù)據(jù)結(jié) 可讀可寫； 3、Section頭表（section header table）包含了描述文件sections的信息。每個section在這個表中有一個入口；每個入口給出了該section的名字，大小，等等信息。相當于 索引！ 而程序被加載到內(nèi)存里面，又是如何分布的呢？我們看看上圖中： 1、正文和初始化的數(shù)據(jù)和未初始化的數(shù)據(jù)就是我們所說的數(shù)據(jù)段，正文即代碼段； 2、正文段上面是常量區(qū)，常量區(qū)上面是全局變量和靜態(tài)變量區(qū)，二者占據(jù)的就是初始化的數(shù)據(jù)和未初始化的數(shù)據(jù)那部分； 3、再上面就是堆，動態(tài)存儲區(qū)，這里是上增長； 4、堆上面是棧，存放的是局部變量，就是局部變量所在代碼塊執(zhí)行完畢后，這塊內(nèi)存會被釋放，這里棧區(qū)是下增長； 5、命令行參數(shù)就是$0 $1之類的，環(huán)境變量什么的前面的文章已經(jīng)講過，有興趣的可以去看看。 我們知道，內(nèi)存分為動態(tài)內(nèi)存和靜態(tài)內(nèi)存，我們先講靜態(tài)內(nèi)存。 一、靜態(tài)內(nèi)存 內(nèi)存管理——存儲模型 存儲模型決定了一個變量的內(nèi)存分配方式和訪問特性，在C語言中主要有三個維度來決定：1、存儲時期 2、作用域 3、鏈接 1、存儲時期 存儲時期：變量在內(nèi)存中的保留時間（生命周期）。 存儲時期分為兩種情況，關(guān)鍵是看變量在程序執(zhí)行過程中會不會被系統(tǒng)自動回收掉。 1) 靜態(tài)存儲時期 Static 在程序執(zhí)行過程中一旦分配就不會被自動回收。 通常來說，任何不在函數(shù)級別代碼塊內(nèi)定義的變量。 無論是否在代碼塊內(nèi)，只要采用static關(guān)鍵字修飾的變量。 2) 自動存儲時期 Automatic 除了靜態(tài)存儲以外的變量都是自動存儲時期的，或者說只要是在代碼塊內(nèi)定義的非static的變量，系統(tǒng)會肚臍自動非配和釋放內(nèi)存； 2、作用域 作用域：一個變量在定義該變量的自身文件中的可見性（訪問或者引用） 在C語言中，一共有3中作用域： 1) 代碼塊作用域 在代碼塊中定義的變量都具有該代碼的作用域。從這個變量定義地方開始，到這個代碼塊結(jié)束，該變量是可見的。 2) 函數(shù)原型作用域 出現(xiàn)在函數(shù)原型中的變量，都具有函數(shù)原型作用域，函數(shù)原型作用域從變量定義處一直到原型聲明的末尾。 3) 文件作用域 一個在所有函數(shù)之外定義的變量具有文件作用域，具有文件作用域的變量從它的定義處到包含該定義的文件結(jié)尾處都是可見的。 3、鏈接 鏈接：一個變量在組成程序的所有文件中的可見性（訪問或者引用）； C語言中一共有三種不同的鏈接： 1) 外部鏈接 如果一個變量在組成一個程序的所有文件中的任何位置都可以被訪問，則稱該變量支持外部鏈接。 2) 內(nèi)部鏈接 如果一個變量只可以在定義其自身的文件中的任何位置被訪問，則稱該變量支持內(nèi)部鏈接。 3) 空鏈接 如果一個變量只是被定義其自身的當前代碼塊所私有，不能被程序的其他部分所訪問，則成該變量支持空鏈接。 我們來看一個代碼示例： [cpp] view plain copy 1. #include 2. 3. int a = 0;// 全局初始化區(qū) 4. char *p1; //全局未初始化區(qū) 5. 6. int main() 7. { 8. int b; //b在棧區(qū) 9. char s[] = "abc"; //棧 10. char *p2; //p2在棧區(qū) 11. 12. char *p3 = "123456"; //123456\0在常量區(qū)，p3在棧上。 13. static int c =0； //全局（靜態(tài)）初始化區(qū) 14. 15. p1 = (char *)malloc(10); 16. p2 = (char *)malloc(20); //分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。 17. 18. strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優(yōu)化成一個地方。 19. } 二、動態(tài)內(nèi)存 當程序運行到需要一個動態(tài)分配的變量時，必須向系統(tǒng)申請取得堆中的一塊所需大小的存儲空間，用于存儲該變量。當不在使用該變量時，也就是它的生命結(jié)束時，要顯示釋放它所占用的存儲空間，這樣系統(tǒng)就能對該空間 進行再次分配，做到重復使用有線的資源。下面介紹動態(tài)內(nèi)存申請和釋放的函數(shù)。 1.1 malloc 函數(shù) malloc函數(shù)原型： [cpp] view plain copy 1. #include 2. 3. void *malloc(size_t size); size是需要動態(tài)申請的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。若申請成功，函數(shù)返回申請到的內(nèi)存的起始地址，若申請失敗，返回NULL。我們看下面這個例子： [cpp] view plain copy 1. int *get_memory(int n) 2. { 3. int *p; 4. p = (int *)malloc(sizeof(int)); 5. if(p == NULL) 6. { 7. printf("malloc error\n"); 8. return p; 9. } 10. 11. memset(p,0,n*sizeof(int)); 12. } 使用該函數(shù)時，有下面幾點要注意： 1）只關(guān)心申請內(nèi)存的大小。 2）申請的是一塊連續(xù)的內(nèi)存。記得一定要寫出錯判斷。 3）顯示初始化。即我們不知這塊內(nèi)存中有什么東西，要對其清零。 1.2 free函數(shù) 在堆上分配的額內(nèi)存，需要用free函數(shù)顯示釋放，函數(shù)原型如下： [cpp] view plain copy #include void free(void *ptr); 使用free(),也有下面幾點要注意： 1）必須提供內(nèi)存的起始地址； 調(diào)用該函數(shù)時，必須提供內(nèi)存的起始地址，不能夠提供部分地址，釋放內(nèi)存中的一部分是不允許的。 2）malloc和free配對使用； 編譯器不負責動態(tài)內(nèi)存的釋放，需要程序員顯示釋放。因此，malloc與free是配對使用的，避免內(nèi)存泄漏。 [cpp] view plain copy free(p); p = NULL； p = NULL是必須的，因為雖然這塊內(nèi)存被釋放了，但是p仍指向這塊內(nèi)存，避免下次對p的誤操作； 3）不允許重復釋放 因為這塊內(nèi)存被釋放后，可能已另分配，這塊區(qū)域被別人占用，如果再次釋放，會造成數(shù)據(jù)丟失； 2、我們經(jīng)常將堆和棧相比較 2.1申請方式 stack: 由系統(tǒng)自動分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間 。 heap: 需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數(shù) ,如p1 = (char *)malloc(10); 2.2 申請后系統(tǒng)的響應 棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報異常提示棧溢出。 堆：首先應該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當系統(tǒng)收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結(jié)點，然后將該結(jié)點從空閑結(jié)點鏈表中刪除，并將該結(jié)點的空間分配給程序，另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，會在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外，由于找到的堆結(jié)點的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。 2.3申請大小的限制 棧：棧是向低地址擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預先規(guī)定好的，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數(shù)），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 堆：堆是向高地址擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。 2.4申請效率的比較 棧由系統(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。 堆是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過用起來最方便。 2.5堆和棧中的存儲內(nèi)容 棧： 在函數(shù)調(diào)用時，第一個進棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。 當本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點繼續(xù)運行。 堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容由程序員安排。 2.6存取效率的比較 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的； 但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針所指向的字符串(例如堆)快。 比如： [cpp] view plain copy 1. #include 2. void main() 3. { 4. char a = 1; 5. char c[] = "1234567890"; 6. char *p ="1234567890"; 7. a = c[1]; 8. a = p[1]; 9. return; 10. } 對應的匯編代碼 ： [cpp] view plain copy 1. 0: a = c[1]; 2. 00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 3. 0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 4. 11: a = p[1]; 5. 0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 6. 00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 7. 00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，再根據(jù)edx讀取字符，顯然慢了。 總結(jié) 堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出： 棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點菜（發(fā)出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。 堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。 想學習的你和我聯(lián)系預約就可以免費聽課了。 以下課程可免費試聽C語言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 宋工企鵝號：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 |
