c语言-内存管理

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前言

提问一个问题

函数内部对一个变量使用 static 关键字和不使用 static究竟有什么区别？c语言的内存管理究竟是什么?

答案如下：

实际上，生命周期，初始化次数，以及多次调用值是否保留的原因都是因为变量分布的位置不同而产生了这些差别

那么接下来就深入分析一下栈和数据段中的数据，在内存中究竟是如何来产生这些不同的。

C代码的编译过程

● 预处理阶段

○ 宏定义展开、头文件展开、条件编译，这里并不会检查语法

● 编译阶段

○ 检查语法，将预处理后文件编译生成汇编文件

● 汇编阶段

○ 将汇编文件生成目标文件(二进制文件)

● 链接阶段

○ 将目标文件链接为可执行程序

进程的内存分布

程序运行起来(没有结束前)就是一个进程

如此，一个进程的内存空间分布如下：

对于一个C语言程序而言，内存空间主要由五个部分组成代码区(text)、数据区(data)、未初始化数据区(bss)，堆(heap) 和栈(stack) 组成

也可以直接把data和bss合起来叫做静态区或全局区

代码区（text segment）

● 加载的是可执行文件代码段，所有的可执行代码都加载到代码区，这块内存是不可以在运行期间修改的。

未初始化数据区（BSS）

● 加载的是可执行文件BSS段，

位置可以分开亦可以紧靠数据段，

存储于数据段的数据（全局未初始化，静态未初始化数据）的生存周期为整个程序运行过程。

复制代码

// ---------------------------
// BSS 段（全局未初始化 / 静态未初始化）
// ---------------------------
int global_uninit_var;           // 全局未初始化变量 -> BSS 段
static int static_uninit_var;    // 静态未初始化变量 -> BSS 段

全局初始化数据区/静态数据区（data segment）

加载的是可执行文件数据段，存储于数据段（全局初始化，静态初始化数据，文字常量(只读)）的数据的生存周期为整个程序运行过程。

复制代码

// ---------------------------
// Data 段（全局初始化 / 静态初始化 / 只读常量）
// ---------------------------
int global_init_var = 42;        // 全局已初始化变量 -> Data 段
static int static_init_var = 99; // 静态已初始化变量 -> Data 段
const char *str_const = "Hello"; // 字符串常量 -> 只读常量区（.rodata）

堆区（heap）

● 堆是一个大容器，它的容量要远远大于栈，但没有栈那样先进后出的顺序。用于动态内存分配。堆在内存中位于BSS区和栈区之间。一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收。

复制代码

// ---------------------------
// 堆区（动态分配）
// ---------------------------
int *heap_var = malloc(sizeof(int)); // 动态分配 -> 堆
*heap_var = 123;
printf("heap_var (Heap)           : %p\n", (void*)heap_var);

free(heap_var); // 手动释放堆内存

栈区（stack）

● 栈是一种先进后出的内存结构，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、返回值、局部变量等。在程序运行过程中实时加载和释放，因此，局部变量的生存周期为申请到释放该段栈空间。

复制代码

void func_demo(int param) { // param 在栈上
    // ---------------------------
    // 栈区（局部变量 / 参数）
    // ---------------------------
    int local_var = 10; // 局部变量 -> 栈
    printf("local_var (Stack)   : %p\n", (void*)&local_var);
    printf("param (Stack)       : %p\n", (void*)&param);
}

堆区内存动态分配

malloc函数

复制代码

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
功能：在内存的动态存储区(堆区)中分配一块长度为size字节的连续区域，用来存放类型说明符指定的类型。
	分配的内存空间内容不确定。
参数：
	size：需要分配内存大小(单位：字节)
返回值：
    成功：分配空间的起始地址
    失败：NULL

free函数

复制代码

#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);
功能：释放ptr所指向的一块内存空间，ptr是一个任意类型的指针变量，指向被释放区域的首地址。
	对同一内存空间多次释放会出错。
参数：
	ptr：需要释放空间的首地址，被释放区应是由malloc函数所分配的区域。
返回值：无

具体使用

复制代码

 arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));
    if (arr == NULL) { // 如果申请失败，提前中断函数
        printf("申请空间失败!\n");
        return -1;
    }

// 释放堆区空间
    free(arr);

测试内存分布

操作局部变量错误

试图得到局部变量的地址，结果局部变量出了函数被销毁了，返回的是个野指针，操作不了一点

返回栈区地址

复制代码

#include <stdio.h>

int *func() {
    int a = 10;
    return &a; // 函数调用完毕，因为a是局部变量，a释放
}

int main() {
    int *p = NULL;
    p = func();
    *p = 100; // 操作野指针指向的内存,err
    printf("11111111111111111\n"); // 这句话可能执行不到，因为上一句话报错

    return 0;
}

返回data区地址

● 在函数内部使用static修饰的变量称为静态局部变量

● 它在程序运行期间只被初始化一次，并且在函数调用结束后也不会被销毁

如果进行static修改，那么返回的就不是野指针了

复制代码

#include <stdio.h>

int *func() {
    // 静态局部变量，只会初始化一次
    static int a = 10;
    return &a; // 函数调用完毕，a不释放
}

int main() {
    int *p = NULL;
    p = func();
    *p = 100; // ok
    printf("*p = %d\n", *p);

    return 0;
}

● 普通局部变量和静态局部变量区别

○ 存储位置：

■ 普通局部变量存储在栈上

■ 静态局部变量存储在静态存储区

○ 生命周期：

■ 当函数执行完毕时，普通局部变量会被销毁

■ 静态局部变量的生命周期则是整个程序运行期间，即使函数调用结束，静态局部变量的值也会被保留

○ 初始值：

■ 普通局部变量在每次函数调用时都会被初始化，它们的初始值是不确定的，除非显式地进行初始化

■ 静态局部变量在第一次函数调用时会被初始化，然后保持其值不变，直到程序结束

返回堆区地址

复制代码

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

int *func() {
    int *tmp = NULL;
    // 堆区申请空间
    tmp = (int *)malloc(sizeof(int));
    *tmp = 100;
    return tmp; // 返回堆区地址，函数调用完毕，不释放
}

int main() {
    int *p = NULL;
    p = func();
    printf("*p = %d\n", *p); // ok

    // 堆区空间，使用完毕，手动释放
    if (p != NULL) {
        free(p);
        p = NULL;
    }

    return 0;
}