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学习#xff0c;提升编程#xff0c;共同进步
我们需要知道——变量#xff0c;其实是内存地址的一个抽像名字罢了。在静态编译的程序中#xff…我们知道C语言和其他高级语言,最大的区别就是C语言是要操作内存。 如有小伙伴想自学可以进群731871503进行交流
学习提升编程共同进步
我们需要知道——变量其实是内存地址的一个抽像名字罢了。在静态编译的程序中所有的变量名都会在编译时被转成内存地址。机器是不知道我们取的名字的只知道地址。
内存的使用时程序设计中需要考虑的重要因素之一这不仅由于系统内存是有限的尤其在嵌入式系统中而且内存分配也会直接影响到程序的效率。因此我们要对C语言中的内存管理有个系统的了解。
在C语言中定义了4个内存区间代码区全局变量和静态变量区局部变量区即栈区动态存储区即堆区具体如下
1、栈区stack— 由编译器自动分配释放 存放函数的参数值局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区heap — 一般由程序员分配释放 若程序员不释放程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事分配方式倒是类似于链表。
3、全局区静态区static—全局变量和静态变量的存储是放在一块的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和未初始化的静态变量在相邻的 另一块区域。 - 程序结束后由系统释放。
4、常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放
5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。
来看张图 首先我们要知道源代码编译成程序程序是放在硬盘上的而非内存里只有执行时才会被调用到内存中
我们来看看程序结构ELF是是Linux的主要可执行文件格式。ELF文件由4部分组成分别是ELF头ELF header、程序头表Program header table、节Section和节头表Section header table。具体如下
1、Program header描述的是一个段在文件中的位置、大小以及它被放进内存后所在的位置和大小。即要加载的信息
2、Sections保存着object 文件的信息从连接角度看包括指令数据符号表重定位信息等等。在图中我们可以看到Sections中包括 (1) .text 文本结 存放指令(2) .rodata 数据结 readonly;(3) .data 数据结 可读可写 3、Section头表section header table包含了描述文件sections的信息。每个section在这个表中有一个入口每个入口给出了该section的名字大小等等信息。相当于 索引
而程序被加载到内存里面又是如何分布的呢我们看看上图中
1、正文和初始化的数据和未初始化的数据就是我们所说的数据段正文即代码段
2、正文段上面是常量区常量区上面是全局变量和静态变量区二者占据的就是初始化的数据和未初始化的数据那部分
3、再上面就是堆动态存储区这里是上增长
4、堆上面是栈存放的是局部变量就是局部变量所在代码块执行完毕后这块内存会被释放这里栈区是下增长
5、命令行参数就是$0 $1之类的环境变量什么的前面的文章已经讲过有兴趣的可以去看看。
我们知道内存分为动态内存和静态内存我们先讲静态内存。
1静态内存
内存管理—存储模型
存储模型决定了一个变量的内存分配方式和访问特性在C语言中主要有三个维度来决定
1、存储时期 2、作用域 3、链接
存储时期
存储时期变量在内存中的保留时间生命周期
存储时期分为两种情况关键是看变量在程序执行过程中会不会被系统自动回收掉。
静态存储时期 Static
在程序执行过程中一旦分配就不会被自动回收。
通常来说任何不在函数级别代码块内定义的变量。
无论是否在代码块内只要采用static关键字修饰的变量。
自动存储时期 Automatic
除了静态存储以外的变量都是自动存储时期的或者说只要是在代码块内定义的非static的变量系统会肚脐自动非配和释放内存
作用域
作用域一个变量在定义该变量的自身文件中的可见性访问或者引用
在C语言中一共有3中作用域
代码块作用域
在代码块中定义的变量都具有该代码的作用域。从这个变量定义地方开始到这个代码块结束该变量是可见的
函数原型作用域
出现在函数原型中的变量都具有函数原型作用域函数原型作用域从变量定义处一直到原型声明的末尾。
文件作用域
一个在所有函数之外定义的变量具有文件作用域具有文件作用域的变量从它的定义处到包含该定义的文件结尾处都是可见的
链接
链接一个变量在组成程序的所有文件中的可见性访问或者引用
C语言中一共有三种不同的链接
外部链接
如果一个变量在组成一个程序的所有文件中的任何位置都可以被访问则称该变量支持外部链接
内部链接
如果一个变量只可以在定义其自身的文件中的任何位置被访问则称该变量支持内部链接。
空链接
如果一个变量只是被定义其自身的当前代码块所私有不能被程序的其他部分所访问则成该变量支持空链接
我们来看一个代码示例
[cpp] view plain copy #include stdio.h int a 0;// 全局初始化区 char *p1; //全局未初始化区 int main() { int b; //b在栈区 char s[] “abc”; //栈 char *p2; //p2在栈区 char *p3 “123456”; //123456\0在常量区p3在栈上。 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。 }
2动态内存
当程序运行到需要一个动态分配的变量时必须向系统申请取得堆中的一块所需大小的存储空间用于存储该变量。当不在使用该变量时也就是它的生命结束时要显示释放它所占用的存储空间这样系统就能对该空间 进行再次分配做到重复使用有线的资源。下面介绍动态内存申请和释放的函数。
1.1 malloc 函数
malloc函数原型
[cpp] view plain copy #include stdio.h void *malloc(size_t size);
size是需要动态申请的内存的字节数。若申请成功函数返回申请到的内存的起始地址若申请失败返回NULL。我们看下面这个例子
[cpp] view plain copy int *get_memory(int n) { int *p; p (int *)malloc(sizeof(int)); if(p NULL) { printf(malloc error\n); return p; } memset(p,0,n*sizeof(int)); }
使用该函数时有下面几点要注意
1只关心申请内存的大小
2申请的是一块连续的内存。记得一定要写出错判断
3显示初始化。即我们不知这块内存中有什么东西要对其清零
1.2 free函数
在堆上分配的额内存需要用free函数显示释放函数原型如下
[cpp] view plain copy
#include stdlib.h
void free(void *ptr);
使用free(),也有下面几点要注意
1必须提供内存的起始地址
调用该函数时必须提供内存的起始地址不能够提供部分地址释放内存中的一部分是不允许的。
2malloc和free配对使用
编译器不负责动态内存的释放需要程序员显示释放。因此malloc与free是配对使用的避免内存泄漏。
[cpp] view plain copy
free§;
p NULL
p NULL是必须的因为虽然这块内存被释放了但是p仍指向这块内存避免下次对p的误操作
3不允许重复释放
因为这块内存被释放后可能已另分配这块区域被别人占用如果再次释放会造成数据丢失
我们经常将堆和栈相比较
2.1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 ,如p1 (char *)malloc(10);
2.2 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。
2.3申请大小的限制
栈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。
2.4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。
2.5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。
2.6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
[cpp] view plain copy #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
[cpp] view plain copy 0: 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 [edx1] 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。
3总结
堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出
栈就象我们去饭馆里吃饭只管点菜发出申请、付钱、和吃使用吃饱了就走不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作他的好处是快捷但是自由度小。
堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴比较麻烦但是比较符合自己的口味而且自由度大。如有小伙伴想自学可以进群731871503进行交流
学习提升编程共同进步
