12-C语言的内存管理

news2024/11/23 21:45:58

12-C语言的内存管理

文章目录

  • 12-C语言的内存管理
    • 一、C语言进程的内存布局
      • 1.1 程序与进程
      • 1.2 虚拟内存与物理内存
        • 1.2.1 虚拟内存布局
    • 二、栈空间的特点与管理
    • 三、静态变量
      • 3.1 全局静态变量
      • 3.2 局部静态变量
      • 3.3 为什么需要静态变量？
    • 四、数据段与代码段
      • 4.1 数据段
      • 4.2 代码段
      • 4.3 数据段的特点
    • 五、堆内存
      • 5.1 堆内存的基本特性
      • 5.2 如何申请堆内存
        • 5.3 malloc
        • 5.4 calloc
        • 5.5 `realloc`
      • 5.6 释放堆内存`free`
    • 六、示例代码
      • 总结

一、C语言进程的内存布局

在C语言中，一个程序在运行时，操作系统会为其分配内存空间，这个内存空间可以分为几个不同的区域，每个区域有其特定的用途和特性。这些区域包括：栈、堆、数据段和代码段。理解这些区域有助于编写更高效的代码并调试程序中的内存问题。

1.1 程序与进程

  • 程序：静态的二进制文件，存储在磁盘上。
  • 进程：运行中的程序实例，动态的，操作系统为其分配各种资源，包括内存。

所有的程序被执行起来之后，系统会为他分配各种资源内存，用来存放该进程中用到的各种变量、常量、代码等等。这些不容的内容将会被存放到内存中不同的位置 （区域），不同的内存区域他的特性是有差别。

每一个进程所拥有的内存都是一个虚拟的内存，所谓的虚拟内存是用物理内存中映射（投影）而来的，对于每一个进程而言所有的虚拟内存布局都是一样的。让每个进程都以为自己独自拥有了完整的内存空间。

1.2 虚拟内存与物理内存

  • 虚拟内存：每个进程拥有独立的虚拟内存空间，给进程一种独占整个内存的错觉。这种虚拟内存通过内存管理单元（MMU）映射到物理内存。
  • 物理内存：实际的硬件内存，虚拟内存映射到这里。

物理内存（Physical Memory）
虚拟内存（Virtual Memory）
在这里插入图片描述

1.2.1 虚拟内存布局

在这里插入图片描述

  1. 代码段（Text Segment）

    • 存放程序的可执行代码，包括函数体、控制语句等。
    • 该段是只读的，防止程序意外修改指令。
    • 通常在内存的低地址区域。

  2. 数据段（Data Segment）

    • 存放静态数据和全局变量。
    • 细分为初始化数据段和未初始化数据段（BSS段）。
      • 初始化数据段：存放已初始化的全局变量和静态变量。
      • BSS段：存放未初始化的全局变量和静态变量，程序开始执行时会被清零。

  3. 堆（Heap）

    • 用于动态分配内存，由程序员控制，使用 malloc、calloc、realloc 等函数分配，使用 free 释放。
    • 从低地址向高地址增长。
    • 适合用于需要在程序运行期间动态分配的较大数据。

  4. 栈（Stack）

    • 用于存放函数的局部变量、函数参数和返回地址。
    • 栈空间的分配和释放由系统自动管理，遵循LIFO（Last In, First Out）原则。
    • 从高地址向低地址增长。
    • 由于栈空间有限，存放大数据结构时要谨慎。

在这里插入图片描述

二、栈空间的特点与管理

用于存放函数的局部变量、函数参数和返回地址.
在这里插入图片描述

  • 特点：

    • 空间有限，尤其在嵌入式环境中（例如某些系统默认栈大小仅为8MB）。
    • 系统自动管理分配和释放。
    • 函数调用时分配内存，函数返回时释放内存。

  • 管理栈空间：

    • 避免在栈上分配大块内存。
    • 使用 ulimit 命令查看和修改栈大小限制（临时修改，重启后恢复默认值）。
    ulimit -a                # 查看当前系统的资源限制，包括栈大小
ulimit -s 10240          # 临时将栈大小修改为 10MB，重启后会回到默认值

注意：

  • 每当一个函数被调用的时候， 栈空间会向下增长一段，用来存放该函
  • 当一个函数退出的时候 ， 栈空间会向上回缩一段，该空间的所有权将
  • 栈空间的分配与释放，用户是无法干预的， 全部由系统来完成。

三、静态变量

在C语言中，静态变量有两个主要类型：全局静态变量和局部静态变量。这些变量在程序的生命周期内具有持久性，存储在数据段中，而不是栈或堆中。

3.1 全局静态变量

全局静态变量定义在函数体外部，并且具有文件作用域，即只能在定义它的文件中访问。

#include <stdio.h>

static int global_var = 1000; // 全局静态变量

void func1() {
    printf("global_var: %d\n", global_var);
}

void func2() {
    global_var += 100;
    printf("global_var after increment: %d\n", global_var);
}

int main() {
    func1(); // 输出: global_var: 1000
    func2(); // 输出: global_var after increment: 1100
    func1(); // 输出: global_var: 1100
    return 0;
}

3.2 局部静态变量

局部静态变量定义在函数体内部，并且具有块作用域，但其生命周期跨越整个程序运行时间。这意味着它在第一次初始化后，其值在函数调用之间保持不变。

#include <stdio.h>

void func() {
    int a = 250; // 局部变量
    static int b = 100; // 静态局部变量,只初始化一次
    printf("a: %d, b: %d\n", ++a, ++b);
}

int main() {
    func(); // 输出: a: 251, b: 101
    func(); // 输出: a: 251, b: 102
    func(); // 输出: a: 251, b: 103
    return 0;
}

在上面的代码中，每次调用 func 函数时，变量 a 都会重新初始化为250，而变量 b 仅在第一次调用时初始化为100，此后 b 保留其在上一次函数调用时的值。

3.3 为什么需要静态变量？

  1. 持久性：静态变量在程序的整个生命周期内都存在。这在需要跨函数调用持久化数据时非常有用。
  2. 局部静态变量：在希望一个局部变量的值在多次函数调用之间保持不变的情况下，可以使用静态局部变量。
  3. 全局静态变量：在需要将变量的作用域限制在单个文件内时，可以使用全局静态变量。它们不会被其他文件中的函数访问到，增强了数据的封装性。

四、数据段与代码段

4.1 数据段

数据段分为三个部分：.bss、.data和.rodata。
在这里插入图片描述

  1. .bss段：存放未初始化的静态数据，程序运行时会自动初始化为0。
  2. .data段：存放已初始化的静态数据。
  3. .rodata段：存放只读数据（常量），如字符串常量，不允许修改。
#include <stdio.h>

int uninitialized_global; // 位于 .bss 段
int initialized_global = 10; // 位于 .data 段
const char *msg = "Hello, World!"; // 位于 .rodata 段

int main() {
    printf("uninitialized_global: %d\n", uninitialized_global); // 输出: 0
    printf("initialized_global: %d\n", initialized_global); // 输出: 10
    printf("msg: %s\n", msg); // 输出: Hello, World!
    return 0;
}

4.2 代码段

代码段存放程序的可执行代码，包括用户编写的函数和编译器生成的系统初始化代码。代码段通常是只读的，以防止程序无意中修改指令。
在这里插入图片描述

#include <stdio.h>

void func() {
    printf("This is a function.\n");
}

int main() {
    func(); // 输出: This is a function.
    return 0;
}

4.3 数据段的特点

  • 自动初始化：未初始化的静态数据会自动初始化为0。
  • 初始化执行一次：静态数据的初始化语句在程序加载时执行一次。
  • 持久性：静态数据的内存从程序开始运行到程序结束都存在，与进程共存亡。

五、堆内存

堆内存，又称动态内存或自由内存，是唯一一个由开发者随意分配与释放的内存空间。堆内存的具体申请大小和使用时长由程序员决定。

5.1 堆内存的基本特性

  1. 大空间：相对于栈空间，堆空间大很多，堆的大小受限于物理内存，系统不会对堆空间进行限制。
  2. 从下往上增长：堆内存是从低地址向高地址增长的。
  3. 匿名内存：堆内存没有名字，只能通过指针来访问。(不像栈空间那样有名字)
  4. 手动管理：堆内存的申请和释放由程序员自行管理，申请的内存需要手动释放，直到程序退出。

5.2 如何申请堆内存

5.3 malloc

malloc 函数用于向系统申请内存，但不会清空这块内存。

malloc (向系统申请内存)
头文件：

  • #include <stdlib.h>
    函数原型：

  • void *malloc(size_t size);

参数分析：

  • size ‐‐> 需要申请的内存 （字节为单位）

返回值：

  • 成功 返回一个指向成功申请到内存的指针（入口地址）
  • 失败 返回 NULL
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 申请可以存放10个整数的堆空间
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL) {
        // 申请失败
        perror("malloc failed");
        return 1;
    }
    
    // 初始化并打印数组
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = i;
        printf("*(p+%d): %d\n", i, *(p + i));
    }

    // 打印指针地址--> &p 打印的是栈空间地址     p中所存放的地址为堆空间地址
    printf("&p: %p -> %p\n", (void *)&p, (void *)p);

    // 释放内存
    free(p);
    return 0;
}

由终端输入存入malloc所申请的内存中：
在这里插入图片描述

注意在上面的截图中，scanf("%[\n]s",p);–>[\n] 表示读取所有非换行符 \n 的字符，直到遇到换行符为止。避免了在输入空格时就截至了的情况。

5.4 calloc

calloc 函数用于向系统申请内存，会将内存清空（初始化为0）。

calloc (向系统申请内存)

头文件：

  • #include <stdlib.h>

函数原型：

  • void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

参数分析：

  • nmemb ‐‐ > N 块内存（连续的）
  • size ‐‐ > 每一块内存的大小尺寸

返回值：

  • 成功 返回一个指向成功申请到内存的指针（入口地址）
  • 失败 返回 NUL
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 申请10块连续的内存，每块大小为sizeof(int)
    int *p = (int *)calloc(10, sizeof(int));
    if (p == NULL) {
        // 申请失败
        perror("calloc failed");
        return 1;
    }
    
    // 初始化并打印数组
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = i + 998;
        printf("*(p+%d): %d\n", i, *(p + i));
    }

    // 释放内存
    free(p);
    return 0;
}
5.5 realloc

realloc 函数用于重新分配内存大小，可以扩大或缩小内存。

realloc (重新申请空间)
头文件：

  • #include <stdlib.h>

函数原型：

  • void *realloc(void *ptr, size_t size);

参数分析：

  • ptr ‐‐> 需要 扩容/缩小 的内存的入口地址
  • size ‐‐> 目前需要的大小

返回值：

  • 成功 返回修改后的地址
  • 失败 NULL
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 申请10块连续的内存，每块大小为sizeof(int)
    int *p = (int *)calloc(10, sizeof(int));
    if (p == NULL) {
        // 申请失败
        perror("calloc failed");
        return 1;
    }
    
    // 初始化并打印数组
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = i + 998;
        printf("*(p+%d): %d\n", i, *(p + i));
    }

    // 打印重新分配前的指针地址
    printf("重新分配前p: %p\n", (void *)p);

    // 重新分配内存--> // 如果重新申请内存需要另找宝地 ， 那么 原本的地址p会被释放掉
    int *p1 = (int *)realloc(p, 128 * sizeof(int));
    if (p1 == NULL) {
        // 重新分配失败
        perror("realloc failed");
        free(p);
        return 1;
    }

    // 原指针已经被释放了，但是为了防止野指针，所以将原指针置为NULL，防止成为野指针
    p = NULL;

    // 打印重新分配后的指针地址
    printf("重新分配后p1: %p\n", (void *)p1);

    // 打印原数据
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("*(p1+%d): %d\n", i, *(p1 + i));
    }

    // 释放内存
    free(p1);//注意不是p
    return 0;
}

5.6 释放堆内存free

free 函数用于释放堆内存。

free(释放堆内存)
头文件：
-#include <stdlib.h>

函数原型：

  • void free(void *ptr);

参数分析：

  • ptr ‐‐> 需要释放的内存的入口地址

返回值；

  • 无
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 申请内存
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL) {
        perror("malloc failed");
        return 1;
    }

    // 使用内存...

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

释放内存的含义是将当前内存的所有权交回给系统，但不会清空内存的内容。释放内存后，需要将指针置为NULL，防止成为野指针。

总结:

  • malloc 申请内存但不清空。
  • calloc 申请内存并初始化为0。
  • realloc 重新分配内存大小。
  • free 释放内存。

释放内存后，记得将指针置为NULL，防止成为野指针。

六、示例代码

以下代码展示了栈、堆和数据段的使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 全局变量（位于数据段）
int global_var = 10;
int uninitialized_global_var;

void function() {
    // 局部变量（位于栈）
    int local_var = 20;
    printf("Local variable: %d\n", local_var);
}

int main() {
    // 动态分配内存（位于堆）
    int *heap_var = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (heap_var == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    *heap_var = 30;
    printf("Heap variable: %d\n", *heap_var);

    function();

    // 打印全局变量
    printf("Global variable: %d\n", global_var);
    printf("Uninitialized global variable: %d\n", uninitialized_global_var);

    // 释放堆内存
    free(heap_var);

    return 0;
}

总结

  • 代码段：存放程序的可执行代码，通常只读。
  • 数据段：存放全局变量和静态变量，分为已初始化和未初始化部分。
  • 堆：用于动态内存分配，从低地址向高地址增长。
  • 栈：用于存放局部变量和函数调用信息，从高地址向低地址增长。

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