C语言零基础入门级内存管理+面试题全讲解【系统学习第五天】

C语言-》前言

任何一个程序，正常运行都需要内存资源，用来存放诸如变量、常量、函数代码等等。这些不同的内容，所存储的内存区域是不同的，且不同的区域有不同的特性。因此我们需要研究财经处内存布局，逐个了解不同内存区域的特性。 每个C语言进程都拥有一片结构相同的虚拟内存，所谓的虚拟内存，就是从实际物理内存映射出来的地址规范范围，最重要的特征是所有的虚拟内存布局都是相同的，极大地方便内核管理不同的进程。例如三个完全不相干的进程p1、p2、p3，它们很显然会占据不同区段的物理内存，但经过系统的变换和映射，它们的虚拟内存的布局是完全一样的。

C语言-》C进程内存布局

PM：Physical Memory，物理内存。
VM：Virtual Memory，虚拟内存。

将其中一个C语言含如进程的虚拟内存放大来看，会发现其内部包下区域：

`栈（stack）
堆（heap）
数据段
代码段`

虚拟内存中，内核区段对于应用程序而言是禁闭的，它们用于存放操作系统的关键性代码，另外由于 Linux 系统的历史性原因，在虚拟内存的最底端
0x0 ~ 0x08048000 之间也有一段禁闭的区段，该区段也是不可访问的。

虚拟内存中各个区段的详细内容:

C语言-》 栈内存

什么东西存储在栈内存中？

环境变量
命令行参数
局部变量（包括形参）

栈内存有什么特点？

空间有限，尤其在嵌入式环境下。因此不可以用来存储尺寸太大的变量。
每当一个函数被调用，栈就会向下增长一段，用以存储该函数的局部变量。
每当一个函数退出，栈就会向上缩减一段，将该函数的局部变量所占内存归还给系统。

注意：

栈内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。

示例代码：

void func(int a, int *p) // 在函数 func 的栈内存中分配
{
    
    
    double f1, f2;        // 在函数 func 的栈内存中分配
    ...                   // 退出函数 func 时，系统的栈向上缩减，释放内存
}

int main(void)
{
    
    
    int m  = 100;  // 在函数 main 的栈内存中分配
    func(m, &m);  // 调用func时，系统的栈内存向下增长
}

C语言-》静态数据:全局变量+静态局部变量

C语言中，静态数据有两种：

全局变量：定义在函数外部的变量。
静态局部变量：定义在函数内部，且被static修饰的变量。

示例：

int a; // 全局变量，退出整个程序之前不会释放
void f(void)
{
    
    
    static int b; // 静态局部变量，退出整个程序之前不会释放
    printf("%d\n", b);
    b++;
}

int main(void)
{
    
    
    f();
    f(); // 重复调用函数 f()，会使静态局部变量 b 的值不断增大
}

为什么需要静态数据？

1. 全局变量在默认的情况下，对所有文件可见，为某些需要在各个不同文件和函数间访问的数据提供操作上的方便。
2. 当我们希望一个函数退出后依然能保留局部变量的值，以便于下次调用时还能用时，静态局部变量可帮助实现这样的功能。

注意1：

1,若定义时未初始化，则系统会将所有的静态数据自动初始化为0
2,静态数据初始化语句，只会执行一遍。
3,静态数据从程序开始运行时便已存在，直到程序退出时才释放。

注意2：

1,static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据。
2,static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见的静态数据。
3,static修饰函数：使之由各文件可见的函数，变成了本文件可见的静态函数。`

C语言-》数据段与代码段

数据段细分成如下几个区域：

.bss 段：存放未初始化的静态数据，它们将被系统自动初始化为0
.data段：存放已初始化的静态数据
.rodata段：存放常量数据

代码段细分成如下几个区域：

.text段：存放用户代码
.init段：存放系统初始化代码

int a;       // 未初始化的全局变量，放置在.bss 中
int b = 100; // 已初始化的全局变量，放置在.data 中

int main(void)
{
    
    
    static int c;       // 未初始化的静态局部变量，放置在.bss 中
    static int d = 200; // 已初始化的静态局部变量，放置在.data 中
    
    // 以上代码中的常量100、200放置在.rodata 中
}

注意：数据段和代码段内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。

C语言-》堆内存

堆内存（heap）又被称为动态内存、自由内存，简称堆。堆是唯一可被开发者自定义的区段，开发者可以根据需要申请内存的大小、决定使用的时间长短等。但又由于这是一块系统“飞地”，所有的细节均由开发者自己把握，系统不对此做任何干预，给予开发者绝对的“自由”，但也正因如此，对开发者的内存管理提出了很高的要求。对堆内存的合理使用，几乎是软件开发中的一个永恒的话题。

堆内存基本特征：

相比栈内存，堆的总大小仅受限于物理内存，在物理内存允许的范围内，系统对堆内存的申请不做限制。
相比栈内存，堆内存从下往上增长。
堆内存是匿名的，只能由指针来访问。
自定义分配的堆内存，除非开发者主动释放，否则永不释放，直到程序退出。

C语言-》相关API(malloc() / calloc()/bzero()/free())

`申请堆内存：malloc() / calloc()
清零堆内存：bzero()
释放堆内存：free()`

示例：

int *p = malloc(sizeof(int)); // 申请1块大小为 sizeof(int) 的堆内存
bzero(p, sizeof(int));        // 将刚申请的堆内存清零

*p = 100; // 将整型数据 100 放入堆内存中
free(p);  // 释放堆内存

// 申请3块连续的大小为 sizeof(double) 的堆内存
double *k = calloc(3, sizeof(double));

k[0] = 0.618;
k[1] = 2.718;
k[2] = 3.142;
free(k);  // 释放堆内存

注意：

malloc()申请的堆内存，默认情况下是随机值，一般需要用 bzero() 来清零。
calloc()申请的堆内存，默认情况下是已经清零了的，不需要再清零。
free()只能释放堆内存，并且只能释放整块堆内存，不能释放别的区段的内存或者释放一部分堆内存。

释放内存的含义：

释放内存意味着将内存的使用权归还给系统。
释放内存并不会改变指针的指向。
释放内存并不会对内存做任何修改，更不会将内存清零。

C语言-》内存问题解答

问：老师，我明明已经free掉堆内存了，为什么还能继续使用？
答：你这是还没明白释放内存的含义。以下面的代码为例：

char *p = malloc(100); // 在堆空间中申请100个字节
strcpy(p, "abcdefg");

free(p);               // 释放掉这个100个字节
printf("%s\n", p);     // 使用这块释放掉的内存

在上述代码中，最后一行是错误的。但是很多同学就这段代码执行之后发现，程序居然可以正常执行。这里的关键点是：

free §的含义是将p所指向的内存归还给系统，但并不意味着里面的数据被清除了，也不意味着系统马上就会使用这块内存，系统很有可能是让这块内存处于“未使用”的状态。
使用一块已经归还给系统的内存，在逻辑上是具有风险的，因为任何时候都有可能不小心破坏了系统的数据。上面的例子中，如果恰巧能将数据输出并没有发生错误，那只能说明是一种巧合。

问：老师，既然全局变量定义一次，到处可用，那我们就把所有的变量都定义为全局的，岂不是更方便吗？
答：不，这不仅不方便，还会让程序陷入混乱而无法维护。理解全局变量，有几个关键点：

全局变量所使用的标识符弥漫在整个程序名字空间中，所有与之重名的变量或函数都会受到影响，这种情况我们称之为名称污染。
在编程规范中，一个基本的原则，是让变量或函数的作用域尽量地小，尽量不要污染程序的整个名字空间，这样才能减少名字冲突和误会。
全局变量可以被程序中的所有线程访问，因此在一个多线程程序中，对全局变量的使用要比普通的变量更麻烦，需要为他们引入很多互斥机制，以防止多方操作所带来的冲突。所以在不必要的情况下，不能滥用全局变量。

C语言-》内存布局面试题

（内存布局） 【1】简述C程序中所有不同的存储类变量在内存中的详细分布情况。

解析：
C语言的存储类分为三种：

自动存储类。这类变量就是所谓的自动变量，也称为临时变量、局部变量，他们存储于栈内存之中，当函数退出后，他们会被自动释放。

静态存储类。这类变量就是所谓的静态变量，主要有两种，一是全局变量，二是加了static修饰的局部变量，他们存储于静态数据段，这些变量不随程序的运行而发生分配或释放，它们从程序一开始启动就已经存在，并会一直留存到程序结束为止。

自定义存储类。这类变量就是所谓的堆内存，通常由malloc()/calloc()/realloc()分配获得。它们存储于进程内存的堆空间，它们不会自动释放，除非用户调用free()来指明要释放它们。

（静态数据） 【2】编写一个函数，使其能记录自身被调用的次数。

解析：

主要考察对静态数据的理解，在C语言程序中，静态数据不会因为函数的退出而释放，因此可以使用静态数据来达到题目的要求。

参考代码：

#include <stdio.h>

int callme(void)
{
    
    
	static int call_times = 0;
	return ++call_times;
}

int main(void)
{
    
    
	int i, calling = 0;

	for(i=0; i<5; i++)
	{
    
    
		calling = callme();
		i++;
	}

	printf("the function have been called %d times\n", \
			calling);

	return 0;
}

（函数传参、栈内存） 【3】分析以下代码的输出结果并解释原因。

void  getString(char  **p)
{
    
    
    *p = "hello world";
}

int main(void)
{
    
    
    char *str = NULL;
    getString(&str);
    printf("%s\n",  str);
}

解析：重点

`在main函数中，定义了一个char型指针str，开始的时候指向NULL，
即str此时的值为0。 然后将 str 的地址传递给函数 getString()，
因此该函数的参数 p 就是一个指向 str 的二级指针，在该函数中，
*p 就是取 p 的目标，也就是 str，因此：
*p  = "hello world";
等价于：
str = "hello world";
赋值之后函数 getString() 就退出了，但是字符串常量是不会释放的，
因此回到main函数后，就可以正常输出字符串 “hello world” 了。`