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C語言和其他高級(jí)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(jí)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(shí)是內(nèi)存地址的一個(gè)抽像名字罷了。在靜態(tài)編譯的程序中，所有的變量名都會(huì)在編譯時(shí)被轉(zhuǎn)成內(nèi)存地址。機(jī)器是不知道我們?nèi)〉拿值�，只知道地址�?br /> 內(nèi)存的使用是程序設(shè)計(jì)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(huì)直接影響到程序的效率。因此，我們要對(duì)C語言中的內(nèi)存管理，有個(gè)系統(tǒng)的了解。 在C語言中，定義了4個(gè)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(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，即堆區(qū)。具體如下： 1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動(dòng)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(shí)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(chǔ)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(jìn)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(shí)才會(huì)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(gè)段在文件中的位置、大小以及它被放進(jìn)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(hào)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(gè)section在這個(gè)表中有一個(gè)入口；每個(gè)入口給出了該section的名字，大小，等等信息。相當(dāng)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(dòng)態(tài)存儲(chǔ)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(huì)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(dòng)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(chǔ)模型 存儲(chǔ)模型決定了一個(gè)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(gè)維度來決定：1、存儲(chǔ)時(shí)期 2、作用域 3、鏈接 1、存儲(chǔ)時(shí)期 存儲(chǔ)時(shí)期：變量在內(nèi)存中的保留時(shí)間（生命周期）。 存儲(chǔ)時(shí)期分為兩種情況，關(guān)鍵是看變量在程序執(zhí)行過程中會(huì)不會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)回收掉。 1) 靜態(tài)存儲(chǔ)時(shí)期 Static 在程序執(zhí)行過程中一旦分配就不會(huì)被自動(dòng)回收。 通常來說，任何不在函數(shù)級(jí)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(dòng)存儲(chǔ)時(shí)期 Automatic 除了靜態(tài)存儲(chǔ)以外的變量都是自動(dòng)存儲(chǔ)時(shí)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(huì)肚臍自動(dòng)非配和釋放內(nèi)存； 2、作用域 作用域：一個(gè)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(gè)變量定義地方開始，到這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)變量在組成一個(gè)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(gè)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(gè)變量只是被定義其自身的當(dāng)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(gè)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(huì)將它與p3所指向的"123456"優(yōu)化成一個(gè)地方。 19. } 二、動(dòng)態(tài)內(nèi)存 當(dāng)程序運(yùn)行到需要一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的變量時(shí)，必須向系統(tǒng)申請(qǐng)取得堆中的一塊所需大小的存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)該變量。當(dāng)不在使用該變量時(shí)，也就是它的生命結(jié)束時(shí)，要顯示釋放它所占用的存儲(chǔ)空間，這樣系統(tǒng)就能對(duì)該空間 進(jìn)行再次分配，做到重復(fù)使用有線的資源。下面介紹動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)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?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。若申請(qǐng)成功，函數(shù)返回申請(qǐng)到的內(nèi)存的起始地址，若申請(qǐng)失敗，返回NULL。我們看下面這個(gè)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(shí)，有下面幾點(diǎn)要注意： 1）只關(guān)心申請(qǐng)內(nèi)存的大小。 2）申請(qǐng)的是一塊連續(xù)的內(nèi)存。記得一定要寫出錯(cuò)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(duì)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(diǎn)要注意： 1）必須提供內(nèi)存的起始地址； 調(diào)用該函數(shù)時(shí)，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(duì)使用； 編譯器不負(fù)責(zé)動(dòng)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(duì)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?yàn)殡m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(duì)p的誤操作； 3）不允許重復(fù)釋放 因?yàn)檫@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(huì)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(qǐng)方式 stack: 由系統(tǒng)自動(dòng)分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量 int b; 系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b開辟空間 。 heap: 需要程序員自己申請(qǐng)，并指明大小，在c中malloc函數(shù) ,如p1 = (char *)malloc(10); 2.2 申請(qǐng)后系統(tǒng)的響應(yīng) 棧：只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。 堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)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(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。 2.3申請(qǐng)大小的限制 棧：棧是向低地址擴(kuò)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(yù)先規(guī)定好的，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請(qǐng)的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 堆：堆是向高地址擴(kuò)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(chǔ)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(jì)算機(jī)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(qǐng)效率的比較 棧由系統(tǒng)自動(dòng)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(chǔ)內(nèi)容 棧： 在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)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(gè)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(dāng)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(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。 堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)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(yùn)行時(shí)刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)就確定的； 但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?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(duì)應(yīng)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(shí)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(diǎn)菜（發(fā)出申請(qǐng)）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)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(dòng)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(xué)習(xí)的你和我聯(lián)系預(yù)約就可以免費(fèi)聽課了。 以下課程可免費(fèi)試聽C語言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 宋工企鵝號(hào)：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 |
