C 这些东西的内存管理

一、内存介绍

本文主要介绍C内存管理基本概念，以及C语言编译后的可执行程序的存储结构和执行结构。

在用户存储空间，一个C程序的在内存中的分配分类5大部分：代码段、全局已初始化数据段、bss段、堆和栈。

当中各部分详细所指：

1、代码段（text segment）存放CPU运行的机器指令（machine instructions）。代码区一般是仅仅读的，使其仅仅读的原因是防止程序意外地改动了它的指令。

2、全局已初始化数据段存入的是初始化的全局变量、静态变量（包含全局静态变量和局部静态变量）和常量数据（如字符串常量）。

3、bss段 / 全局未初始化数据区存入的是全局未初始化变量。BSS这个叫法是依据一个早期的汇编运算符而来。这个汇编运算符标志着一个块的開始。BSS区的数据在程序開始运行之前被内核初始化为0或者空指针（NULL）。

4、堆 heap 用于动态内存分配。堆在内存中位于bss区和栈区之间。一般由程序猿分配和释放，若程序猿不释放。程序结束时有可能由OS回收。

5、栈 stack 由编译器自己主动分配释放，存放函数的參数值、局部变量的值等。

其操作方式类似于数据结构中的栈。

之所以分成这么多个区域，主要基于下面考虑：

一个进程在运行过程中。代码是依据流程依次运行的。仅仅须要訪问一次。当然跳转和递归有可能使代码运行多次，而数据一般都须要訪问多次，因此单独开辟空间以方便訪问和节约空间。

暂时数据及须要再次使用的代码在执行时放入栈区中，生命周期短。

全局数据和静态数据有可能在整个程序运行过程中都须要訪问。因此单独存储管理。

堆区由用户自由分配，以便管理。

样例：

二、内存分配方式

在C语言中。对象能够使用静态或动态的方式分配内存空间。

静态分配：编译器在处理程序源码时分配。

动态分配：程序在运行时调用malloc库函数申请分配。

静态内存分配是在程序运行之前进行的因而效率比較高。而动态内存分配则能够灵活的处理未知数目的。

静态与动态内存分配的主要差别例如以下：

对象是没有名字的变量，须要通过指针间接地对它进行操作。

静态对象的分配与释放由编译器自己主动处理。动态对象的分配与释放必须由程序猿显式地管理。它通过malloc()和free两个函数（C++中为new和delete运算符）来完毕。

下面是採用静态分配方式的样例。

int a=100;

此行代码指示编译器分配足够的存储区以存放一个整型值，该存储区与名字a相关联。并用数值100初始化该存储区。

下面是採用动态分配方式的样例。

p1 = (char *)malloc(10*sizeof(int));//分配得来得10*4字节的区域在堆区

此行代码分配了10个int类型的对象，然后返回对象在内存中的地址。接着这个地址被用来初始化指针对象p1。对于动态分配的内存唯一的訪问方式是通过指针间接地訪问，其释放方法为：

free(p1);

三、堆栈那些事儿

栈是由编译器在须要时分配的，不须要时自己主动清除的变量存储区。里面的变量一般是局部变量、函数參数等。
堆是由malloc()函数（C++语言为new运算符）分配的内存块，内存释放由程序猿手动控制。在C语言为free函数完毕（C++中为delete）。栈和堆的主要差别有下面几点：

（1）管理方式不同。

栈编译器自己主动管理，无需程序猿手工控制；而堆空间的申请释放工作由程序猿控制。easy产生内存泄漏。

（2）空间大小不同。

栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。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，当申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示溢出。因此。用户能从栈获得的空间较小。

堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。由于系统是用链表来存储空暇内存地址的，且链表的遍历方向是由低地址向高地址。

由此可见，堆获得的空间较灵活，也较大。栈中元素都是一一相应的。不会存在一个内存块从栈中间弹出的情况。

（3）是否产生碎片。

对于堆来讲。频繁的malloc/free（new/delete）势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率减少（尽管程序在退出后操作系统会对内存进行回收管理）。对于栈来讲，则不会存在这个问题。

（4）增长方向不同。

堆的增长方向是向上的，即向着内存地址添加的方向；栈的增长方向是向下的。即向着内存地址减小的方向。

（5）分配方式不同。

堆都是程序中由malloc()函数动态申请分配并由free()函数释放的。栈的分配和释放是由编译器完毕的，栈的动态分配由alloca()函数完毕。可是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行申请和释放的，无需手工实现。

（6）分配效率不同。

栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令运行。

堆则是C函数库提供的。它的机制非常复杂，比如为了分配一块内存。库函数会依照一定的算法（详细的算法能够參考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大的空间。假设没有足够大的空间（可能是因为内存碎片太多），就有须要操作系统来又一次整理内存空间。这样就有机会分到足够大小的内存，然后返回。

显然。堆的效率比栈要低得多。

四、内存管理函数

malloc/free函数

Malloc()函数用来在堆中申请内存空间，free()函数释放原先申请的内存空间。

Malloc()函数是在内存的动态存储区中分配一个长度为size字节的连续空间。

其參数是一个无符号整型数，返回一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针。

当函数未能成功分配存储空间时（如内存不足）则返回一个NULL指针。

因为内存区域总是有限的，不能无限制地分配下去，并且程序应尽量节省资源。所以当分配的内存区域不用时，则要释放它。以便其它的变量或程序使用。

须要特别注意以下几点：

（1）调用free()释放内存后。不能再去訪问被释放的内存空间。

内存被释放后，非常有可能该指针仍然指向该内存单元，但这块内存已经不再属于原来的应用程序，此时的指针为悬挂指针（能够赋值为NULL）。

（2）不能两次释放同样的指针。

由于释放内存空间后，该空间就交给了内存分配子程序，再次释放内存空间会导致错误。

也不能用free来释放非malloc()、calloc()和realloc()函数创建的指针空间。在编程时，也不要将指针进行自加操作，使其指向动态分配的内存空间中间的某个位置。然后直接释放，这样也有可能引起错误。

（3）在进行C语言程序开发中，malloc/free是配套使用的。即不须要的内存空间都须要释放回收。

realloc--更改已经配置的内存空间

realloc()函数用来从堆上分配内存，当须要扩大一块内存空间时，realloc()试图直接从堆上当前内存段后面的字节中获得很多其它的内存空间，假设可以满足。则返回原指针；假设当前内存段后面的空暇字节不够，那么就使用堆上第一个可以满足这一要求的内存块。将眼下的数据拷贝到新的位置，而将原来的数据块释放掉。假设内存不足，又一次申请空间失败，则返回NULL。

此函数定义例如以下：

void *realloc(void *ptr,size_t size)

參数ptr为先前由malloc、calloc和realloc所返回的内存指针，而參数size为新配置的内存大小

当调用realloc()函数又一次分配内存时，假设申请失败。将返回NULL，此时原来指针仍然有效，因此在程序编写时须要进行推断，假设调用成功。realloc()函数会又一次分配一块新内存，并将原来的数据复制到新位置，返回新内存的指针，而释放掉原来指针（realloc()函数的參数指针）指向的空间。原来的指针变为不可用（即不须要再释放，也不能再释放），因此，一般不使用下面语句：

ptr=realloc(ptr,new_amount)

假设内存降低。malloc只改变索引信息。但并不代表被降低的部分还能够訪问。这一部分内存将交给系统内存分配子程序。

其它内存管理函数calloc和alloca

calloc是malloc函数的简单包装，它的主要长处是把动态分配的内存进行初始化，所有清零。其操作及语法类似malloc()函数。

alloca()函数用来在栈中分配size个字节的内存空间。因此函数返回时会自己主动释放掉空间。alloca函数定义及库头文件例如以下：

返回值：若分配成功返回指针。失败则返回NULL。

它与malloc()函数的差别主要在于：

alloca是向栈申请内存。无需释放。malloc申请的内存位于堆中，终于须要函数free来释放。

malloc函数并没有初始化申请的内存空间。因此调用malloc()函数之后，还需调用函数memset初始化这部分内存空间；alloca则将初始化这部分内存空间为0。

输出为：