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C語言的變量的內存分配

看了人家寫的一個關於C語言內存分配的帖子,發現真是自己想找的,於是乎就收藏了。
先看一下兩段代碼:

char* toStr() 

    char *s = "abcdefghijkl"; 
    return s; 

int main() 

    cout << toStr() << endl; 
    return 0; 

char* toStr() 

    char s[] = "abcdefghijkl"; 
    return s; 

int main() 

    cout << toStr() << endl; 
    return 0; 

前一段代碼打印出來是字符串,而後一段代碼打印出來就是亂碼。記得學C語言的時候講到,字符串是被當做字符數組來處理的。所以字符數組名就相當於指向首地址的指針。那麼
1. char *s = "abcdefghijkl";
2. char s[] = "abcdefghijkl";
這兩種表達式似乎是一樣的,可是為什麼程序結果會不一樣呢?原因就是沒有對內存分配了解好。當然現在的C語言教材不會講到的。
解釋:
程序的意思比較簡單,不用解釋。
第一種表達式,指針s是局部變量,他的作用域是函數toStr內。它將其指向的地址返回,返回之後s即被銷毀,慶幸s指向的地址被返回了回來。最終打印正確。
第二種表達式,那麼我們會問第二種與第一種的區別在哪,為何錯?原因就是第一種指針s雖然是局部變量,被分配在棧空間,作用域是函數內部,但其指向的內容"abcdefghijkl"是常量,被分配在程序的常量區。直到整個程序結束才被銷毀。而第二種,s是一數組,分配到棧空間,"abcdefghijkl"作為數組各個元素被放到數組中,一旦函數退出,棧中這塊內存就被釋放。雖然返回一個地址,可是已經失去它的意義了。

通過以上例子,我們來學習學習內存分配的問題吧。

首先,需要搞清楚:變量的類型和它的存儲類別是兩個概念。
數據類型和內存管理沒有直接的關系。

一、一個由C/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分:
1、棧區(stack)—由編譯器自動分配釋放,存放函數的參數值,局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。
2、堆區(heap)—一般由程序員分配釋放,若程序員不釋放,程序結束時可能由OS回收。注意它與數據結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似於鏈表,呵呵。
3、全局區(靜態區)(static),全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的,初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域,未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。  程序結束後由系統釋放。
4、文字常量區—常量字符串就是放在這裡的。程序結束後由系統釋放
5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

二、例子程序
這是一個前輩寫的,非常詳細

//main.cpp   
int a = 0; //全局初始化區 
char *p1; //全局未初始化區 
     
main() 

    int b; //棧 
    char s[] = "abc"; //棧 
    char *p2; //棧 
    char *p3 = "123456"; //123456\\0在常量區,p3在棧上。 
    static int c =0;//全局(靜態)初始化區 
    p1 = (char *)malloc(10);     
    p2 = (char *)malloc(20);//分配得來得10和20字節的區域就在堆區。 
    strcpy(p1, "123456"); //123456\\0放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。       

這下就對程序的內存分配理解更深入了吧。

其實包括其他編程語言,Java等,他們都有所謂的棧空間和堆空間以及常量區,我們經常寫完程序之後發現莫名的錯誤,或者內存被慢慢吞噬,這都是這方面的原因。

以下是堆和棧的理論知識

2.1申請方式
stack: 由系統自動分配。 例如,聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為b開辟空間
heap: 需要程序員自己申請,並指明大小,在c中malloc函數
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算符
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
 
2.2 申請後系統的響應
棧:只要棧的剩余空間大於所申請空間,系統將為程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。
堆:首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時, 會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序,另外,對於大多數系統,會在這塊內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存空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多余的那部分重新放入空閒鏈表中。
 
2.3申請大小的限制
棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在 WINDOWS 下,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),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據結構,是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。
所以在程序中自動變量數組(函數內部)不能很大,因為棧(這就是我們通常說的程序的堆棧段,大數組發生段溢出)的大小有限,而可以申請為全局變量,因為那是分配在靜態區,大小不受限制。
 
2.4申請效率的比較:
棧由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。
堆是由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.
另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配內存,他不是在堆,也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存,雖然用起來最不方便。但是速度快,也最靈活
 
2.5堆和棧中的存儲內容
棧: 在函數調用時,第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址,然後是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由右往左入棧的,然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束後,局部變量先出棧,然後是參數,最後棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。
堆:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。
 
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,在以後的存取中,在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
比如:
#include <stdio.h>
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}

對應的匯編代碼

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,在根據edx讀取字符,顯然慢了。

C++ Primer Plus 第6版 中文版 清晰有書簽PDF+源代碼 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101227.htm

讀C++ Primer 之構造函數陷阱 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/40176.htm

讀C++ Primer 之智能指針 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/40177.htm

讀C++ Primer 之句柄類 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/40175.htm

將C語言梳理一下,分布在以下10個章節中:

  1. Linux-C成長之路(一):Linux下C編程概要 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242.htm
  2. Linux-C成長之路(二):基本數據類型 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p2.htm
  3. Linux-C成長之路(三):基本IO函數操作 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p3.htm
  4. Linux-C成長之路(四):運算符 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p4.htm
  5. Linux-C成長之路(五):控制流 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p5.htm
  6. Linux-C成長之路(六):函數要義 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p6.htm
  7. Linux-C成長之路(七):數組與指針 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p7.htm
  8. Linux-C成長之路(八):存儲類,動態內存 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p8.htm
  9. Linux-C成長之路(九):復合數據類型 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101242p9.htm
  10. Linux-C成長之路(十):其他高級議題

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