C語言內(nèi)存分配-通俗理解
時間：2018-09-26 來源：未知
近很多同學希望了解C語言的內(nèi)存分配，雖然可以在互聯(lián)網(wǎng)上找到諸多的講解，但是你會發(fā)現(xiàn)要么不通俗易懂，要么不算太全面。而這些對于新手而言，又絕對會把你弄得暈頭轉(zhuǎn)向的，所以在此對網(wǎng)上和書本上的諸般講解，進行了通俗的翻譯和總結(jié)。
在說內(nèi)存分配之前，先提一點題外話，因為在和同學們講解內(nèi)存分配的時候，他們不是很明白為什么要進行這樣的分配。所以先講解下，計算機的組成和基本原理。
一、計算機的組成
計算機的五大組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。
我們都知道計算機的處理中心是CPU，它主要由運算器和控制器組成。
1) 運算器
實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算的部分，主要對數(shù)據(jù)進行加工處理。
2) 控制器
計算機的指揮中心，它通過地址訪問存儲器，從存儲器中取出指令(程序)，并指出下一指令在存儲器中的位置，將取出的指令經(jīng)指令寄存器送往指令譯碼器，經(jīng)過對指令的分析產(chǎn)生相應的操作，控制其他部件的有條不紊的工作。
控制器的組成框圖
執(zhí)行指令有四個步驟：取指令、指令譯碼、按指令操作碼執(zhí)行、形成下一條指令地址。
3)存儲器
計算機存放所有數(shù)據(jù)和程序的記憶部分，它分為兩大類：一類是內(nèi)部存儲器(內(nèi)存)，一類是外部存儲器(外存)。存儲器由若干個存儲單元組成，每個存儲單元都有一個地址，計算機通過地址對存儲單元進行讀寫。
4) 輸入設(shè)備
向計算機輸入信息(程序、數(shù)據(jù)、聲音、文字、圖形、圖像等)的設(shè)備(鍵盤、鼠標、圖形掃描儀、觸摸屏、條形碼輸入器、光筆等)。
5) 輸出設(shè)備
主要有顯示器、打印機和繪圖儀等。
二、內(nèi)存分配
在任何程序設(shè)計環(huán)境及語言中，內(nèi)存管理都十分重要。在目前的計算機系統(tǒng)或嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存資源仍然是有限的。因此在程序設(shè)計中，有效地管理內(nèi)存資源是程序員首先考慮的問題
1) C程序結(jié)構(gòu)：可執(zhí)行代碼存儲時
下面是C語言可執(zhí)行程序的基本情況：
上面分別是：代碼區(qū)、全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)/靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)、未初始化數(shù)據(jù)區(qū)、十進制總和、十六進制總和、文件名。
我們可以看出程序在未運行前，沒有調(diào)入到內(nèi)存時，分為三個部分：代碼區(qū)(text)、數(shù)據(jù)區(qū)(data)、未初始化數(shù)據(jù)區(qū)(bss)。
(1) 代碼區(qū)(text)
存放CPU可執(zhí)行的機器指令，由于程序被經(jīng)常使用，防止其被意外修改，代碼區(qū)通常是只讀的。
(2) 全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)/靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)(data)
存放被初始化的全局變量、靜態(tài)變量(全局靜態(tài)變量和局部靜態(tài)變量)、常量數(shù)據(jù)(如字符串常量)。
(3) 未初始化數(shù)據(jù)區(qū)(BSS)
存放未初始化的全局變量，BSS這個叫法是根據(jù)早期的匯編運算符而來的，這個匯編運算符標志著一個塊的開始。BSS區(qū)的數(shù)據(jù)在程序開始執(zhí)行之前被內(nèi)核初始化為0或空指針(NULL)。
2)C程序結(jié)構(gòu)：程序執(zhí)行時
一個正在運行的C程序，占用的內(nèi)存分為5個區(qū)域：代碼區(qū)、初始化數(shù)據(jù)區(qū)/靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)、未初始化數(shù)據(jù)區(qū)、堆區(qū)、棧區(qū)。
程序運行時內(nèi)存區(qū)域
(1) 代碼區(qū)(text)
代碼區(qū)指令根據(jù)程序設(shè)計流程依次執(zhí)行，對于順序指令，則只會執(zhí)行一次，如果反復，則需使用跳轉(zhuǎn)指令，如果進行遞歸，則需借助棧來實現(xiàn)。
代碼區(qū)包括操作碼和要操作的對象(或?qū)ο蟮牡刂芬?，如果是立即數(shù)(即具體的數(shù)值，如2)，將直接包含在代碼中;如果是局部數(shù)據(jù)，將在棧中分配空間，然后引用該數(shù)據(jù)的地址;如果是BSS區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，在代碼中同樣引用該數(shù)據(jù)的地址。
(2) 全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)/靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)(data)
只初始化一次。上面已經(jīng)說過，在程序編譯時，該區(qū)域已經(jīng)被分配好了，這塊內(nèi)存在程序的整個運行期間都存在，當程序結(jié)束時，才會被釋放。
(3)未初始化數(shù)據(jù) 區(qū)(BSS)
在運行時改變其值。
(4)棧區(qū)(stack)
存放函數(shù)的參數(shù)值和局部變量，由編譯器自動分配釋放，其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的棧。其特點是不需要程序員去考慮內(nèi)存管理的問題，很方便;同時棧的容量很有限，在Linux系統(tǒng)中，棧的容量只有8M，并且當相應的范圍結(jié)束時(如函數(shù))，局部變量就不能再使用。
(5)堆區(qū)(heap)
有些操作對象只有在程序運行時才能確定，這樣編譯器在編譯時就無法為他們預先分配空間，只有程序運行時才分配，這就是動態(tài)內(nèi)存分配。堆區(qū)就是用于動態(tài)內(nèi)存分配(如malloc的動態(tài)內(nèi)存分配)，堆在內(nèi)存中位于bss區(qū)和棧區(qū)之間，一般由程序員申請和釋放。
之所以分配如此多的區(qū)域，主要是因為：
一個進程在運行時，代碼是根據(jù)流程依次執(zhí)行的，代碼只需訪問一次，當然跳轉(zhuǎn)或遞歸時代碼會被執(zhí)行多次，而數(shù)據(jù)一般都需要訪問多次，因此單獨開辟空間以便訪問和節(jié)約空間。
下面是一個詳細的代碼，來全面分析內(nèi)存分配情況：
//main.c
int a = 0; //a在全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)
char *p1; //p1在bss區(qū)(未初始化全局變量)
static int c = 0; //c在全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)(c是全局靜態(tài)變量)
struct employee
{
char name[20];
int age;
float score;
}e1; //e1在全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)
int main()
{
int b; //b在棧區(qū)(局部變量)
char s[] = “abc”; //s在棧區(qū)，“abc”在常量區(qū)(全局初始化數(shù)據(jù)區(qū))
char *p2; //p2在棧區(qū)
char *p3 = “123456”; //p3在棧區(qū)，“123456”在常量區(qū)(全局初始化數(shù)據(jù)區(qū))
static int d = 0; //d在全局初始化數(shù)據(jù)區(qū)(靜態(tài)局部變量)
struct student
{
char *name; //name在棧區(qū)，name指針指向是在堆區(qū)
int age;
float score;
}s1; //s1在棧區(qū)
p1 = (char*)malloc(10); //分配得來的10個字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)
p2 = (char*)malloc(20); //分配得來的20個字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)
name = (cahr *)malloc(20); //分配得來的20個字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)
/*從常量區(qū)的“Hello World”字符串復制到剛分配到的堆區(qū)*/
strcpy(p1, “Hello World”);
free(p1); //釋放內(nèi)存
free(p2); //釋放內(nèi)存
}
