重学C语言内存管理
文章目录
- 1. 内存管理简介
- 2. 内存分类
- 3. 栈区（stack）
- 4. 堆区（heap）
- 5. 全局区（静态区）
- 6. 常量区
- 7. malloc、calloc、realloc函数
- 8. strcpy、memcpy、memmove函数
- 9. 实现动态数组
- 10. 内存越界
- 11. 内存泄露(Memory Leak)
- 12. 内存池技术简介
- 13. C语言实现内存池
1. 内存管理简介
在计算机系统，特别是嵌入式系统中，内存资源是非常 有限的。尤其对于移动端开发者来说，硬件资源的限制使得其在程序设计中首要考虑的问题就是如何 有效地管理内存资源。
常见内存使用错误:
- 内存申请未成功，就进行使用
- 内存申请成功，但没有初始化
- 内存初始化成功，但越界访问
- 忘记释放内存或者释放一部分
内存管理不当的危害？
- 没有初始化，会造成内存出错
- 越界访问内存可能导致崩溃
- 忘记释放内存造成内存泄露
C语言的内存管理：
C语言为用户提供了相应内存管理的AP接口，如 malloc()，free()，new()等函数，需要开发者手动管理。而java、C#则有自动内存回收机制，基本无需再对内存进行操作了。
2. 内存分类
- 栈区（stack）
由系统自动分配
- 堆区（heap）
在程序的执行过程中才能分配，由程序员决定
- 全局区（静态区）
静态区存放程序中所有的全局变量和静态变量
- 常量区
常量字符串就是放在这里的
代码段：
代码段（code segment/text segment）。通常是指用来存放程序执行代码的一块內存区域。代码区的指令中包括操作码和要操作的对象（或对象地址引用）。如果是立即数（即具体的数值，如5）直接包含在代码中；如果是局部数据，将在栈区分配空间，然后引用该数据地址。
数据段：
数据段（data segment）通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。
BSS段：
BSS段（Block Started by Symbol）。指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。
BSS段本质上也属于数据段，都用来存放C程序中的全局变量。区别在于.data段中存放初始化为非零的全局变量，而把显式初始化为0或者并未显式初始化（C语言规定未显式初始化的全局变量值默认为0）
的全局变量存在BSS段。
3. 栈区（stack）
由编译器 自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等，是一种先进后出的内存结构。
哪些是分配在栈空间？
-
局部变量的值存放在栈上
-
在函数体中定义的变量通常是在栈上
函数栈分配：
在函数调用时，第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。
栈内存什么时候回收？
栈内存的分配和释放也由编译器在函数进入和退出时插入指令自动完成，生命周期和函数、局部变量一样。
栈空间的大小：
在 Windows下，栈是向低地址扩展的数据结构，是块连续的内存的区域。栈空间一般较小，栈大小与编译器有关。默认情况下，visual studio 2010的栈大小为1M。但在平时应用程序中，由于函数会使用栈结果，所以只能用略小于1M大小的栈如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示Stack overflow。
示例代码：
#include4. 堆区（heap）
需程序员自己申请，并可在运行时指定空间大小，并由程序员手动进行释放，容易产生 memory leak。
哪些是分配在堆空间？
调用 malloc，realloc，calloc函数
//分配得来得10*4字节的区域在堆区
p1 = (char*)malloc(10*sizeof(int));
堆空间需要手动释放：
堆是由 malloc()等函数分配的内存块，内存释放由程序员调用free()函数手动释放
堆空间的大小:
堆空间一般较大，与64位/32位，编译器有关，受限于计算机系统中有效的虚拟内存；理论上32位系统堆内存可以达到4G的空间，实际上2G以内，64位128G以内（虚拟内存16TB）
示例代码：
#include栈与堆的区别：
| 类型 | 分配释放 | 大小 | 是否连续 | 申请效率 |
|---|---|---|---|---|
| 栈区 | 由编译器自动分配释放 | 较小 | 一块连续的内存区域 | 由系统自动分配，速度快 |
| 堆区 | 由程序员分配释放 | 较大 | 堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域 | 速度慢，容易产生内存碎片 |
5. 全局区（静态区）
全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在块区域。
哪些是分配在全局静态区？
- 全局变量
- static静态变量
全局静态区何时释放？
全局变量、静态变量在整个程序运行的生存期都存在，所以在程序结束时才释放
示例代码：
#include
6. 常量区
字符串常量是放在常量区，当你初始化赋值的时候，这些常量就先在常量区开辟一段空间，保存此常量，以后相同的常量就都使用一个地址。
示例代码：
#include
7. malloc、calloc、realloc函数
三个函数的作用？
它们都能分配堆內存、成功返回内存的首地址，失败就返回NULL。
malloc函数：
void *malloc(
size_t size
);
该函数将在堆上分配一个 size byte大小的内存。不对内存进行初始化，所以新内存其值将是随机的。
calloc函数：
void *calloc(
size_t number,
size_t size
);
该函数功能与 malloc相同，它将分配count个size大小的内存，自动初始化该内存空间为零。
realloc函数：
void *realloc(
void *memblock,
size_t size
);
该函数将ptr内存大小增大或减小到newsize。
realloc函数返回的两种情况：
- 如果当前连续内存块足够
realloc的话，只是将p1所指向的空间扩大，并返回p1的指针地址。 - 如果当前连续内存块不够长度，再找一个足够长的地方，分配一块新的内存p2，并将p1指向的内容Copy到p2，并释放p1指向的旧内存，然后返回p2。
示例代码：
#include
8. strcpy、memcpy、memmove函数
头文件：
#include strcpy函数
char *strcpy(
char *strDestination,
const char *strSource
);
把src所指由\0结束的字符串复制到dest所指的数组中。
注意事项：
src和dest所指内存区域不能重叠，且dest必须有足够的空间来容纳src的字符串，src的结尾必须是'\0'，返回指向dest的指针。
memcpy函数
void *memcpy(
void *dest,
const void *src,
size_t count
);
由src所指内存区域复制 count个字节到dest所指内存区域。
注意事项：
函数返回指向dest的指针和 strcpy相比，memcpy不是遇到\0就结束，而一定会拷贝n个字节注意src和dest所指内存区域不能重叠，否则不能保证正确。
memmove函数
void *memmove(
void *dest,
const void *src,
size_t count
);
函数功能：与 memcpy相同。
注意事项：
src和dest所指内存区域可以重叠，memmove可保证拷贝结果正确，而memcpy不能保证。函数返回指向dest的指针。
memset函数
void *memset(
void *dest,
int c,
size_t count
);
常用于內存空间的初始化。将已开辟内存空间s的首n个字节的值设为值c，并返回s。
示例代码：
#include
9. 实现动态数组
思路：
利用 realloc函数，当数组元素满的时候，扩充内存区域，然后加入元素！
示例代码：
#include
10. 内存越界
何谓內存访问越界，简单的说，你向系统申请了一块内存，在使用这块内存的时候，超出了你申请的范围。
- 访问到野指针指向的区域，越界访问
- 数组下标越界访问
- 使用已经释放的内存
- 企图访问一段释放的栈空间
- 容易忽略 字符串后面的
'\0'
注意：
strlen所作的是一个计数器的工作，它从内存的某个位置（可以是字符串开头，中间某个位置，甚至是某个不确定的内存区域）开始扫描，直到碰到第一个字符串结束符'\0'为止，然后返回计数器值( 长度不包含’\0’)。
示例代码：
#include11. 内存泄露(Memory Leak)
是指程序中己动态分配的堆內存由于某种原因程序未释放或无法释放，造成系统內存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。
- 丢失了分配的内存的首地址，导致无法释放
- 丢失分配的内存地址
- 企图希望传入指针变量获取对内存，殊不知是拷贝
- 每循环一次，泄露一次内存
- 非法访问常量区
示例代码：
#include12. 内存池技术简介
内存碎片：
内存碎片一般是由于空闲的內存空间比要连续申请的空间小，导致这些小内存块不能被充分的利用，当你需要分配大的连续内存时，尽管剩余内存的总和足够，但系统找不到连续的内存，所以导致分配失败malloc/free大量使用会造成内存碎片
为什么会产生内存碎片？
如果有100个单位的连续空闲内存，那么先申请5单元的连续内存，再申请50单元的内存这时释放一开始的5单元的内存。这时，如果你一直申请比5单元大的内存单元，那么开始的那连续的5单元就一直不能被使用。
内存池技术：
内存的申请、释放是低效的，我们只在开始申请一块大內存（不够继续申请），然后每次需要时都从这块内存取出，并标记这块内存是否被使用。释放时仅仅标记而不真的free，只有内存都空闲的时候，才释放给操作系统。这样减少了 malloc、free次数，从而提高效率。
13. C语言实现内存池
设计思路：
先分配几个大的连续内存块（MemoryBlock），每个内存块用链表链接起来，然后通过一个內存池结构（MemoryPool）管理！
代码实现：
#include