深入解析C语言中的内存分配相关问题

C内存分配区域

程序代码区
存放函数体的二进制代码

全局数据区
全局变量和静态变量的存储是放在一起的。初始化的全局变量和静态变量在一块区域,未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。常量数据存放在另一个区域里。这些数据在程序结束后由系统释放。我们所说的BSS段(bss segment)通常是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是英文Block Started by Symbol的简称

栈区
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。其操作方式类似于数据结构中的栈

堆区
一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收

命令行参数区
存放命令行参数和环境变量的值

示例

 #include <stdio.h> 

 int a = 0; // 静态存储区(初始化区域)
 char *p1; // 静态存储区(未初始化区域) 

 void example()
 {
  int b; // 栈区
  char s[] = "abc"; // 栈区
  char *p2; //栈区 

  static int b = 0; // 静态存储区(初始化区域) 

  // 分配得来的10和20字节的区域在堆上
  p1 = (char *)malloc(10);
  p2 = (char *)malloc(10);
 }

图示


注意

在嵌入式系统中有ROM和RAM两类内存,程序被固化进ROM,变量和堆栈设在RAM中,用const定义的常量也会被放入ROM中
    用const定义常量可以节省空间,避免不必要的内存分配

变量

  什么是局部变量、全局变量和静态变量?

  顾名思义,局部变量就是在一个有限的范围内的变量,作用域是有限的,对于程序来说,在一个函数体内部声明的普通变量都是局部变量,局部变量会在栈上申请空间,函数结束后,申请的空间会自动释放。而全局变量是在函数体外申请的,会被存放在全局(静态区)上,知道程序结束后才会被结束,这样它的作用域就是整个程序。静态变量和全局变量的存储方式相同,在函数体内声明为static就可以使此变量像全局变量一样使用,不用担心函数结束而被释放。
相关函数:

void *malloc(size_t size);
void free(void *p);

/*一般这样用
Struct elem *p;
p = (struct elem*)malloc(sizeof(struct elem))

void free(p)
*/

malloc原理

  malloc函数的实质体现在,它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时,它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后,将该内存块一分为二(一块的大小与用户请求的大小相等,另一块的大小就是剩下的字节)。接下来,将分配给用户的那块内存传给用户,并将剩下的那块(如果有的话)返回到连接表上。调用free函数时,它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后,空闲链会被切成很多的小内存片段,如果这时用户申请一个大的内存片段,那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是,malloc函数请求延时,并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段,对它们进行整理,将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。如果无法获得符合要求的内存块,malloc函数会返回NULL指针,因此在调用malloc动态申请内存块时,一定要进行返回值的判断。

malloc的使用要点

函数malloc的原型如下:

 void * malloc(size_t size);

示例
用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存,程序如下:

 int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * length);

注意

malloc返回值的类型是void *,所以在调用malloc时要显式地进行类型转换,将void* 转换成所需要的指针类型
    malloc函数本身并不能识别要申请的内存是什么类型,它只关心内存的总字节数。我们通常记不住int,float等数据类型在不同平台下的具体字节数,因此在malloc中使用sizeof是良好的风格

直接搬运的代码,确实很好!!容易理解

//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区

main()
{
 int b; //栈
 char s[] = "abc"; //栈
 char *p2; //栈
 char *p3 = "123456"; //123456\\0在常量区,p3在栈上。
 static int c =0;//全局(静态)初始化区
 p1 = (char *)malloc(10);
 p2 = (char *)malloc(20);//分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
 strcpy(p1, "123456"); //123456\\0放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

此外,还有realloc(重新分配内存)、calloc(初始化为0)、alloca(在栈上申请内存,自动释放)等。

内存的规范种类

常规类(Conventional Memory)
常规类在内存分配表中占用最前面的位置,从0KB到640KB(地址000000H ~ 109FFFFH),共占用640KB的容量。因为它在内存的最前面并且在DOS可管理的内存区,我们又称之为 Low Dos Memory(低DOS内存),或称之为基本内存(Base Memory),使用此空间的程序有BIOS,DOS操作系统,外围设备的驱动程序,中断向量表,一些常驻的程序,空闲可用的内存空间以及一般的应用软件都可以在此空间执行

高位内存(Upper Memory)
高位内存是常规内存上面的一层内存(640KB ~ 1024KB)

高端内存区(High Memory Area)
它是1024KB至1088KB之间的64KB内存

扩展内存块(Extened Memory Block)
扩展内存是1MB以上的内存空间,其地址是从100000H开始,连续不断向上扩展的内存,扩展内存取决于CPU的寻址能力

内存分配方式

常见三种分配方式

静态存储区域分配
内存在程序编译的时候已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在,例如全局变量,static变量
在栈上创建
在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限
从堆上分配
动态内存分配,程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定,使用非常灵活,但问题也是最多

常见的内存错误及对策
发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误,通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状,时隐时现,增加了改错的难度。

内存分配未成功,却使用了它
编程新手常犯这种错误,因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用的解决办法是,在使用内存之前检查指针是否为NULL。例如:

 t = (struct btree *)malloc(sizeof(struct btree));
 if (t == NULL) {
  printf("内存分配失败!\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
 }

内存分配成功,但是尚未初始化就引用它
犯这种错误主要由两个起因:

  1. 没有初始化的概念
  2. 误认为内存的缺省初值全为0,导致引用初值错误。内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准,所以无论用何种方式创建数组,都别忘了赋初值,即便是赋初值0也不可省略,不要嫌麻烦

忘记释放内存,导致内存泄漏

含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始的时候,系统内存充足,你看不到错误。终有一次程序突然死掉,系统出现提示:内存耗尽
    动态内存的申请与释放必须配对,程序中malloc和free的使用次数一定要相同,否则肯定有错误

释放了内存却继续使用它

程序中的对象调用关系过于复杂,实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存,此时应该重新设计数据结构,从根本上解决对象管理的混乱局面
    函数的reture语句写错了,注意不要返回指向"栈内存"的“指针”或者“引用”,因为该内存在函数体结束时被自动销毁
    使用free或delete释放了内存后,没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”

规则

用malloc或new申请内存之后,应该立即检查指针是否为NULL。防止使用指针为NULL的内存
    不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用
    避免数组或者指针的下标越界,特别要当心发生“多1”或者“少1”的操作
    动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏
    用free或delete释放内存之后,立即将指针设置为NULL,防止产生“野指针”

指针与数组的对比
c程序中,指针和数组在不少地方可以相互替换着用,让人产生一种错觉,以为两者是等价的

数组要么在静态存储区被创建(如全局数组),要么在栈上被创建。数组名对应着(而不是指向)一块内存,其地址与容量在生命周期内保持不变,只有数组的内容可以改变

指针可以随时指向任意类型的内存块,它的特征是“可变”,所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活,但也更危险。

修改内容
字符数组a的容量是6个字符,其内容为hello。a的内容可以修改,例如a[0]='x'.指针p指向常量字符串“world”(位于静态存储区,内容为world),常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看,编译器并不觉得语句p[0]='x'有什么不妥,但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误

 #include <stdio.h> 

 int main()
 {
  char a[] = "hello";
  a[0] = 'x'; 

  printf("%s\n", a); 

  char *p = "wrold";
  p[0] = 'x';
  printf("%s\n", p); 

  return 0;
 }

内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。若想把数组a的内容复制给数组b,不能用语句 b = a,否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理,比较b和a的内容是否相同,应该用标准库函数strcmp进行比较

语句p = a并不能把a的内容复制指针p,而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容,可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)1个字符的内存,再用strcpy进行字符串复制。同理,语句if(p == a)比较的不是内容而是地址,应该用库函数strcmp来比较

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

 int main()
 {
  char a[] = "hello";
  char b[10]; 

  strcpy(b, a); //不能用b = a 

  int len = strlen(a);
  char *p = (char *)malloc((len + 1) * sizeof(char)); 

  strcpy(p, a); 

  if (strcmp(p, a) == 0) {
   printf("p和a是相等的!\n");
  } 

  free(p);
  return 0;
 }

计算内存容量
用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。sizeof(a)的值是12.指向p指向a,但是sizeof(p)的值却是4.这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数(32bit机器内存地址为32bit),相当于sizeof(char *),而不是p所指的内存容量。

注意当数组作为函数的参数进行传递时,该数组自动退化为同类型的指针。不论数组a的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)

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

 void funC(char *a); 

 int main()
 {
  char a[] = "hello";
  char *p = a; 

  printf("%d\n", sizeof(a)); // 6字节
  printf("%d\n", sizeof(p)); // 4字节 

  funC(a);
  return 0;
 } 

 void funC(char *a)
 {
  printf("%d\n", sizeof(a)); // 4字节而不是6字节
 }

运算结果:

指针参数是如何传递内存的
如果函数的参数是一个指针,不要指望用该指针去申请动态内存。示例中,Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存,str依旧是NULL,为什么?

代码

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

 void GetMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);
 } 

 char* getMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  return p;
 } 

 int main()
 {
  char *str = NULL;
  str = getMemory(str, 200);
  strcpy(str, "hello world!"); //运行错误
  printf("%s", str);
  free(str);
  return 0;
 }

错误

原因
问题出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本,指针参数p的副本是_p,编译器使_p = p.如果函数体内的程序修改了_p的内容,就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中,_p申请了新的内存,只是把_p所指的内存地址改变了,但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上,每执行一次GetMemory就会泄漏一块内存,因为没有用free释放内存

改进
我们可以用函数返回值来传递动态内存,这种方法更简单,见示例:

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

 void GetMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);
 } 

 char* getMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  return p;
 } 

 int main()
 {
  char *str = NULL;
  str = getMemory(str, 200);
  strcpy(str, "hello world!"); //运行错误
  printf("%s\n", str);
  free(str);
  return 0;
 }

注意:
用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用,但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向”栈内存“的指针,因为该内存在函数结束时自动消亡。

示例:

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

 void GetMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);
 } 

 char* getMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  return p;
 } 

 char* getArray(void)
 {
  char p[] = "hello world!";
  return p; // 编译器提出警告
 }
 int main()
 {
  char *str = NULL;
  str = getArray();
  printf("%s\n", str); // str指向的内容是垃圾
  free(str);
  return 0;
 }

杜绝“野指针”
"野指针"不是NULL指针,是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针,因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的,if语句对它不起作用。“野指针”的成因主要有两种:

指针变量没有初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针,它的缺省值是随机的,它会乱指一气。所以,指针变量在创建的同时应该被初始化,要么将指针设置为NULL,要么让它指向合法的内存,例如:

  char *p = NULL;
  char *str = (char *)malloc(sizeof(char) * 100);

指针p被free或者delete之后,没有置为NULL,让人误以为p是个合法的指针
    指针操作超越了变量的作用范围

内存耗尽怎么办
如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块,malloc函数将返回NULL指针,宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题

判断指针是否为NULL,如果是则马上用return语句终止本函数。例如:

  char* getPoint()
  {
   char *p = malloc(sizeof(char) * 100);
   if (p == NULL) {
    return null;
   }
  }

判断指针是否为NULL,如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行(我经常用也是推荐做法):

  char* getPoint()
  {
   char *p = malloc(sizeof(char) * 100);
   if (p == NULL) {
    exit(1);
   }
  }

为new和malloc设置异常处理函数

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