漫谈C语言内存管理

Posted 2022-12-10 半岛铁盒里的猫

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C内存与指针：
漫谈C语言内存管理
漫谈C语言指针（一）
漫谈C语言指针（二）
漫谈C语言指针（三）

C语言简介

要学习音视频开发，首先C、C++是必备的编程语言，因为很多知名的音视频库，比如FFMPEG、X264等都是用C语言编写的，而我们要使用这些库就必须用C、C++去开发程序。

C语言是一门怎样的语言呢？C语言是一门面向过程的编译型语言，它的运行速度极快，仅次于汇编语言。C语言是计算机产业的核心语言，操作系统、硬件驱动、关键组件、数据库等都离不开C语言；不学习C语言，就不能了解计算机底层。后来的很多语言（C++、Java等）都参考了C语言，说C语言是现代编程语言的开山鼻祖毫不夸张，它改变了编程世界。

以下是C语言几个特性：
1.高效性：c语言是一种高效的语言。c表现出通常只有汇编语言才具有的精细的控制能力(汇编语言是特定cpu设计所采用的一组内部制定的助记符。不同的cpu类型使用不同的汇编语言)。如果愿意，您可以细调程序以获得最大的速度或最大的内存使用率。

2.可移植性：c语言是一种可移植的语言。意味着，在一个系统上编写的c程序经过很少改动或不经过修改就可以在其他的系统上运行。

3.强大的功能和灵活性：c强大而又灵活。比如强大灵活的UNIX操作系统便是用c编写的。其他的语言(Perl、Python、BASIC、Pascal)的许多编译器和解释器也都是用c编写的，包括大家熟悉的JVM也是C语言写的。

当然C语言的内容非常庞大，博文是讲不完的，也没必要全面去讲，毕竟该系列是讲音视频的，而且读者应该是有C语言基础（至少其他语言基础），所以这里只会讲到C语言的一些重点难点，一些比较本质的东西。

变量的本质

相信变量大家都很熟悉了，但是关于变量本质是什么，可能不一定每个人都仔细思考过。

首先谈下执行程序的本质是什么。程序就是通过一系列的算法和数据结构，对数据进行的操作处理，那被操作的数据在哪里呢，在内存里，那么写程序的时候就要指定我现在要操作那一块内存的数据，那这块数据要怎么在程序中表示呢？直接用它的内存地址？那实在太不方便了吧，于是程序设计者就用变量名去指代内存中的某个数据，具体来讲，变量就是一段连续内存空间的别名，程序通过变量来申请和命名内存空间， 通过变量名访问内存空间。不是向变量名读写数据，而是向变量所代表的内存空间中读写数据

大家都知道定义变量一定有数据类型的，那么变量的类型是什么呢？

刚才说到变量就是一段连续内存空间的别名，那么具体给一个变量分配多大的空间呢？就比如给动物造窝，造小了动物住不下，造大了浪费空间，狗窝不能给大象住，象窝给小狗住实在是浪费，而且，不指定内存大小，计算机读取数据的时候就不知道要读取的范围有多大。所以，需要通过数据类型来指定分配的内存大小，也可以说，数据类型是固定大小内存的别名。

当然只是指定内存大小是不够的，还需要指定放在内存中的数据是表示什么样的东西，具体是表示猫还是狗还是大象，仅仅知道身高和尺寸并不知道具体的动物，因为数据在内存中都是以2进制存储的，所以需要用不同的表示方式（类似协议）表示不同的数据类型，顾名思义数据类型还区分了数据的类型，比如数据是字符还是整数还是小数。所以通过数据类型，让 计算机知道以什么方式去读取变量的值。

内存管理

程序是在内存中运行的，因为c语言的特性，所以它比任何一门编程语言都贴近内存，而掌握了它的内存管理机制，也是学习好C语言的重中之重，很多其他问题也可以通过内存分析推导使其得到迎刃而解。

内存模型

我们知道应用程序启动后就会加载到内存中取执行，这时候cpu从内存中取出数据和指令去执行，我们将程序内存在地址空间中的分布情况称为内存模型（Memory Model），那C语言的程序在内存模型是怎样的呢？内存模型由操作系统决定，以下以C语言程序在Linux32位系统的内存模型为例：

上图已经清晰地将内存模型从地地址到高地址各个分区表示出来了，下面看下各个主要分区的描述：

总体来讲说，程序源代码被编译之后主要分成两种段：程序指令和程序数据。代码区属于存放程序指令，常量区、全局数据区、堆区、栈区属于存放程序数据。程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，大小固定，只能等到程序运行结束后由操作系统收回。栈区、堆区在程序运行时动态开辟。

那为什么把程序的指令和程序数据分开呢？

程序被load到内存中之后，可以将数据和代码分别映射到两个内存区域。由于数据区域对进程来说是可读可写的，而指令区域对程序来讲说是只读的，所以分区之后呢，可以将程序指令区域和数据区域分别设置成可读可写或只读。这样可以防止程序的指令有意或者无意被修改。

当系统中运行着多个同样的程序的时候，这些程序执行的指令都是一样的，所以只需要内存中保存一份程序的指令就可以了，然后这些程序就可以共享这一份代码指令了，只是每一个程序运行中数据不一样而已，这样可以节省大量的内存。

以下详细分析这几个主要的分区：

全局数据区

存储定义在函数外部的变量，可以被全局（其他文件）访问到。

常量区

存储字符串常量和const修饰的变量。

栈

栈由系统进行内存的管，数据结构就是我们熟悉的栈结构（先进后出）。主要存放函数的参数以及局部变量。在函数完成执行，系统自行释放栈区内存，不需要编程人员管理。函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址、保存的上下文等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效（函数中使用参数本质也是在函数栈中创建一块内存把参数拷贝过来），不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。另外栈属于线程私有。

从上图“C语言程序在Linux32位系统的内存模型”可以看出，栈是从高地址往下增长的。

函数调用时栈内存的分布情况如下图，可见函数本身开辟一个栈，函数栈之间也是通过类似栈的结构组织的。图中ebp指针指向当前调用函数的栈底，esp指针指向调用函数的栈顶，当前函数栈增加内存空间只要移动esp即可。这里每个函数栈都会保存自己的栈底指针，以在下一个函数栈被回收之后，ebp可以指到自己函数栈的栈底，以便恢复现场。（同编译器在不同编译模式下所产生的函数栈并不完全相同）

实际上，程序启动时会为栈区分配一块大小适当的内存，对于一般的函数调用这已经足够了，函数进栈出栈只是 ebp、esp 寄存器指向的变换，或者是向已有的内存中写入数据，不涉及内存的分配和释放。我们经常听说“栈内存的分配效率要高于堆”就是这个道理，因为大部分情况下并没有真的分配栈内存，仅仅是对已有内存的操作。

堆

堆由编程人员手动申请，手动释放，若不手动释放，程序结束后由系统回收，生命周期是整个程序运行期间。更重要的是堆是一个大容器，它的容量要远远大于栈，这可以解决内存溢出困难。使用malloc或者new进行堆的申请。堆完全由程序员掌控（也是唯一由程序员完全控制的内存区域），想分配多少就分配多少，想什么时候释放就什么时候释放，非常灵活，但是也引入了内存泄漏问题。堆虽说操作灵活，但是分配效率比栈要低。

具体代码实例说明

#include <stdio.h>
char *str1 = "c.biancheng.net";  //字符串在常量区，str1在全局数据区
int n;  //全局数据区
char* func()
    char *str = "C语言";  //字符串在常量区，str在栈区
    return str;

int main()
    int a;  //栈区
    char *str2 = "01234";  //字符串在常量区，str2在栈区
    char arr[] = "hello world!"; //注意字符数组存放的字符串不是常量，是可读可写的
    char  arr[20] = "56789";  //字符串和arr都在栈区
    char *pstr = func();  //栈区
    int b;  //栈区  
    int *ip = (int*)malloc(N * sizeof(int) //ip 在栈区，指向的内存在堆区
    return 0;

代码说明函数栈分配的内存会在函数执行后释放：

char* testStack()
    char p[] = "hello world!"; //字符串在栈区存储 
    printf("in testStack %s\\n", p);
    return p;


int main() 
    char* p = NULL;
    p = testStack();
    printf("out of testStack %s\\n",p); //返回的是函数中的字符串的地址

    return 0;

运行结果：
in testStack hello world!
out of testStack (null)

null说明指向的内存已经在函数执行完之后释放了。

但是将字符串用指针指向：

char* testStack()
    char *p = "hello world!"; //在常量区存储 
    printf("in testStack %s\\n", p);
    return p;

运行结果：
in testStack hello world!
out of testStack hello world!

可见函数执行结果后内存并没有释放，印证了字符指针指向的字符串创是存储在常量区。

证明栈的增长是往下（低地址方向）：

void testStack1()

    int a = 10;
    int b = 20;
    int c = 30;
    int d = 40;

    printf("a = %d\\n", &a);
    printf("b = %d\\n", &b);
    printf("c = %d\\n", &c);
    printf("d = %d\\n", &d);
    

运行结果：
a = 6421996
b = 6421992
c = 6421988
d = 6421984

可以看到地址逐步减少，即栈的增长是从高往低地址方向走的。

证明堆的变量在没有手动释放前不会被释放：

int *get()

    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));//申请了一个堆空间
    *p = 10;
    return p;


int main()
    int *x = get();
    printf("x: %d\\n", *x);

运行结果：
x: 10

get函数执行返回的值为里面指针p的值，即malloc开辟的内存空间，函数执行完毕之后，对指针x取值依然可以拿到正确的值，说明函数调用之后，那块内存没有被回收。

如果在p返回之前free：

int *get()

    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));//申请了一个堆空间
    *p = 10;
    free(p);
    return p;

运行结果：
x: 38870160

此时返回的指针成了野指针，指向的内存已经被释放，变成了随机值。

证明static变量是全局的：

全局static就不需要证明了，看下static局部变量的情况：

int testStatic() 
    static int s = 0;
    s = s + 1;
    return s;


int main() 

    for (int i = 0;i<=10;i++)
        int a = testStatic();
        printf("a = %d\\n", a);
    

运行结果：
a = 1
a = 2
a = 3
a = 4
a = 5
a = 6
a = 7
a = 8
a = 9
a = 10
a = 11

说明s是有叠加的，说明testStatic函数执行完后，里面的static变量s并没有被释放，所以即使是局部变量，static变量也是存储在全局变量区的。

内存对齐

CPU 通过地址总线来访问内存，一般多少位cpu一次能取到的数据就是多少位的，所以32位cpu一次可以处理4个字节的数据，那么每次就从内存读取4个字节的数据，而单位时间内读取的次数叫做主频。为了做到最快的寻址，即一次获取的数据尽量多，并且不要重复，cpu寻址采用了步长进行寻址，并且只对编号为一定数据量的倍数的内存寻址（不一定严格为4倍数，假如最起始的地址不是0）。比如32位cpu的寻址步长为4个字节，即每次只对编号为 4 的倍数的内存开始进行寻址，例如只对0、4、8、12…1000的地址为开始进行寻址 ：

所以对于程序来说，一个变量最好位于一个寻址步长的范围内，这样一次就可以读取到变量的值；如果跨步长存储，就需要读取两次，然后再拼接数据，效率显然降低了。

将一个数据尽量放在一个步长之内，避免跨步长存储，这称为内存对齐。

比如一个int类型数据（以4个字节为例），如果首地址为0，则32位cpu一次读取4个字节就可以读完该数据。但如果首地址为6，则32位cpu需要第一次从内存地址4开始读取4个字节，第二次从内存地址8读取4个字节，然后分别取第一次读取的后2个字节和第二次读取的前2个字节进行拼接。这就很明显看出跨步长存储对读取效率的影响了。

所以**编译器会自动将一个数据尽量放在一个步长之内，避免跨步长存储，这称为内存对齐。**对齐位数取决于编译模式，在32位编译模式下，默认以4字节对齐；在64位编译模式下，默认以8字节对齐。

以下用代码证明内存对齐（用结构体证明最好不过）：
（注：sizeof返回的占用空间大小是为这个变量开辟的大小，而不只是它用到的空间。所以会包含对齐的内存部分）

struct 
    int a;
    char b;
    double c;
 t = 10, 'C', 20.1;

int main() 
	//先打印出当前环境每种类型的大小
    printf("int length: %d\\n", sizeof(int));
    printf("char length: %d\\n", sizeof(char));
    printf("double length: %d\\n", sizeof(double));
	//打印出结构体的大小
    printf("struct length: %d\\n", sizeof(t));
    printf("&a: %X\\n&b: %X\\n&c: %X\\n", &t.a, &t.b, &t.c);
    return 0;

运行结果：
int length: 4
char length: 1
double length: 8

struct length: 16

&a: 408010
&b: 408014
&c: 408018

从前三行可以看出当前是32位编译模式，所以寻址步长为4。所以如果结构体t中的a、b、c属性是没有内存对齐的话，则t的占用空间大小应该为4+1+8=13，但是打印出来的是16，再看下结构体t中的a、b、c的起始地址，然后注意到c是从地址408018开始存储的，而b是从408014开始存储的，而b为char类型本来是1个字节，如果没有对齐的话c的起始地址应该是408015，因为当前的步长内已经容不下c了，所以b的后面做了内存对齐，补上了3个字节，让c从下一个步长开始存储。

假如把结构体改为：

struct 
    char a;
    short b;
    int c;
 t = 'C', 10, 20;

运行结果：
char length: 1
short length: 2
int length: 4
struct length: 8
&a: 408010
&b: 408012
&c: 408014

注意到因为在存储了a之后，当前步长还能容纳下b，所以b还在当前的步长中，不过这里因为存储了b之后，当前步长只剩下一个字节，所以放不下c，所以补了一个字节（看地址输出，是补在a后面了）

而如果结构体改为以下，则不需要内存对齐，因为2个short类型属性刚好满一个步长，而后面的int也刚好满一个步长：

struct 
    short a;
    short b;
    int c;
 t = 1, 10, 20;

运行结果：
short length: 2
int length: 4
struct length: 8
&a: 408010
&b: 408012
&c: 408014

结果也印证了上面的说法。

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