c語言內存機制

『壹』 詳細講解c語言五大內存分區與可執行程序的三段(Text段、Date段、Bss段)【建議收藏】

本文詳細講解C語言五大內存分區與可執行程序的三段（Text段、Data段、Bss段）。
首先，C語言五大內存分區包括：靜態內存、動態內存、棧內存、堆內存和文件I/O內存。靜態內存用於存儲全局變數和靜態變數，動態內存由new和malloc函數分配，棧內存用於函數調用時的局部變數和函數參數，堆內存用於動態分配和管理，文件I/O內存用於文件讀寫操作。
其次，可執行程序的三段分別為：Text段、Data段、Bss段。Text段存儲了程序的機器代碼，Data段存儲了程序的全局變數和靜態變數的初始值，Bss段用於存放未初始化的全局變數和靜態變數。Text段和Data段是只讀的，而Bss段是可讀可寫的。
在可執行程序內存空間與邏輯地址空間的映射與劃分上，執行文件通常被映射到進程的邏輯地址空間中。執行文件的文本、數據和Bss段分別映射到進程的文本、數據和Bss段。
接著，存儲類型關鍵字定義了變數的存儲類型，如static、extern、auto和register。這影響了變數的作用域和生命周期。靜態變數在全局或文件級作用域中，其生命周期在程序運行期間一直存在；外部變數在文件級作用域中，其值在程序運行期間始終存在；自動變數在函數作用域中，其值在函數調用結束後釋放；寄存器變數在函數調用期間使用，以提高執行效率。
在堆與棧的區別上，堆和棧在申請方式、申請後的系統響應、申請大小限制、申請效率、存儲內容以及存取效率上有所不同。在運行時刻賦值的變數通常在堆中分配，而編譯時已經確定的變數通常在棧中分配。在存取效率上，棧上的數組比指針指向的字元串更快。

『貳』 在C語言進行編程中，為什麼要釋放舊內存

我們老師說的是C++ 沒有回收動態申請內存的機制。需要主動釋放。JAVA等高級語言有這種機制。剛查了下貌似C++確實沒有。
即是說C/C++ 都需要主動釋放動態申請的內存。

試著解釋下為什麼要主動釋放動態申請的內存：
1.動態申請的內存，存儲在堆中，編譯器不會自己回收，回收的意義：通俗講就是告訴編譯器，這片內存可以使用。
如果不被回收，這片內存就永遠都不會被重新利用。也就是內存泄露。
例如 int *a=(int *)malloc (sizeof(int)*4);
2.現在只有a這個指針指向這片動態申請的內存，再沒有別的路徑可以找到這片內存空間了。如果在釋放a所指向的內存空間之前就改變了a的指向，那麼可知，這片內存，將不可能再被找到了。那麼這片內存就不會被釋放，也就是上面說到的內存泄露。

『叄』 C語言內存管理機制--malloc/calloc/free原理與實現

一、C程序的存儲空間布局

在C程序中，存儲空間布局通常分為棧和堆兩種類型。棧用於函數調用時的局部變數存儲，其大小由編譯器自動管理，遵循後進先出（LIFO）原則。堆用於動態內存分配，可以由程序在運行時動態地請求和釋放內存。

二、Heap內存模型

在堆內存中，malloc所申請的內存主要從堆區域分配。Linux內核通過維護一個break指針來管理堆空間。這個指針指向堆空間的某個地址，從堆起始地址（Heap』s Start）到break之間的地址空間為映射好的（虛擬地址與物理地址的映射，通過MMU實現），可以供進程訪問。從break向上，是未映射的地址空間，訪問這些空間會導致程序報錯。

三、調整break：brk()和sbrk()

break指針最初位於bss段的末尾之後，當break指針升高時，程序可以訪問新分配區域內的任何內存地址，而此時物理內存頁尚未分配，內存會在進程首次試圖訪問這些虛擬內存地址時自動分配新的物理內存頁。

Linux通過brk和sbrk系統調用操作break指針。brk()將break指針設置為指定位置，地址四捨五入到下一個內存頁的邊界處。sbrk()將break指針在原有地址基礎上增加指定的大小。sbrk(0)返回當前break指針的位置。系統對進程所分配的資源有限，包括映射的內存空間。

四、malloc

malloc函數用於在系統中動態分配連續的可用內存。它要求內存大小至少為指定的位元組數，返回指向內存塊起始地址的指針，多次調用不重疊分配地址，實現內存分配和釋放。malloc函數的返回值總是位元組對齊，適合高效訪問C語言數據結構。

五、初探實現malloc

一個簡單實現的malloc函數直接從未映射區域劃出內存，但忽略了記錄分配的內存塊信息，導致內存釋放時無法確定釋放的大小，需要額外數據結構記錄塊信息。

六、正式實現malloc

實現一個完整的malloc需要一個數據結構組織堆內存，每個內存塊包含元信息（大小、空閑狀態、指針）和實際數據區域。查找合適的內存塊、分配新的塊、分裂塊等操作需實現相應函數。

七、calloc的實現

calloc函數用於給一組相同對象分配內存，並初始化它們。實現只需兩次調用malloc，一次分配內存，另一次初始化。

八、free的實現

free函數需要驗證地址的有效性，並解決碎片問題。實現策略包括合並相鄰空閑內存塊，確保釋放的地址與未映射區域之間是空閑的。

九、realloc的實現

realloc函數調整已分配內存的大小。實現包括復制現有內存、調整大小、釋放舊內存等操作。

十、總結

通過上述機制，C語言提供內存管理功能，允許程序動態分配和釋放內存。優化空間和實際應用的內存管理策略如Linux內核夥伴演算法、STL空間配置器等提供了更高效的實現。

『肆』 我想了解c語言中內存分配問題方面的知識

C語言程序編譯的內存分配：
1.棧區（stack） --編譯器自動分配釋放，主要存放函數的參數值，局部變數值等；
2.堆區（heap） --由程序員分配釋放；
3.全局區或靜態區 --存放全局變數和靜態變數；程序結束時由系統釋放，分為全局初始化區和全局未初始化區；
4.字元常量區 --常量字元串放與此，程序結束時由系統釋放；
5.程序代碼區--存放函數體的二進制代碼
例： //main.c
int a=0; //全局初始化區
char *p1; //全局未初始化區
void main()
{
int b; //棧
char s[]="bb"; //棧
char *p2; //棧
char *p3="123"; //其中，「123\0」常量區，p3在棧區
static int c=0; //全局區
p1=(char*)malloc(10); //10個位元組區域在堆區
strcpy(p1,"123"); //"123\0"在常量區，編譯器 可能 會優化為和p3的指向同一塊區域
｝
一個C程序佔用的內存可分為以下幾類：
(一) 棧
這是由編譯器自動分配和釋放的區域。主要存儲函數的參數，函數的局部變數等。當一個函數開始執行時，該函數所需的實參，局部變數就推入棧中，該函數執行完畢後，之前進入棧中的參數和變數等也都出棧被釋放掉。它的運行方式類似於數據結構中的棧。
(二) 堆
這是由程序員控制分配和釋放的區域，在C里，用malloc()函數分配的空間就存在於堆上。在堆上分配的空間不像棧一樣在某個函數執行完畢就自動釋放，而是一直存在於整個程序的運行期間。當然，如果你不手動釋放(free()函數)這些空間，在程序運行結束後系統也會將之自動釋放。對於小程序來說可能感覺不到影響的存在，但對於大程序，例如一個大型游戲，就會遇到內存不夠用的問題了
(三) 全局區
C里的全局變數和靜態變數存儲在全局區。它們有點像堆上的空間，也是持續存在於程序的整個運行期間，但不同的是，他們是由編譯器自己控制分配和釋放的。
(四) 文字常量區
例如char *c = 「123456」；則」123456」為文字常量，存放於文字常量區。也由編譯器控制分配和釋放。
(五) 程序代碼區
存放函數體的二進制代碼。
2． 例子(一)
int a = 0; //全局區
void main()
{
int b; //棧
char s[] = "abc"; //s在棧,"abc"在文字常量區
char *p1,*p2; //棧
char *p3 = "123456"; //"123456"在常量區，p3在棧上
static int c =0; //全局區
p1 = (char *)malloc(10); //p1在棧，分配的10位元組在堆
p2 = (char *)malloc(20); //p2在棧，分配的20位元組在堆
strcpy(p1, "123456"); //"123456"放在常量區
//編譯器可能將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。
}
3． 例子(二)
//返回char型指針
char *f()
{
//s數組存放於棧上
char s[4] = {'1','2','3','0'};
return s; //返回s數組的地址，但程序運行完s數組就被釋放了
}
void main()
{
char *s;
s = f();
printf ("%s", s); //列印出來亂碼。因為s所指向地址已經沒有數據
}
還有就是函數調用時會在棧上有一系列的保留現場及傳遞參數的操作。
棧的空間大小有限定，vc的預設是2M。棧不夠用的情況一般是程序中分配了大量數組和遞歸函數層次太深。有一點必須知道，當一個函數調用完返回後它會釋放該函數中所有的棧空間。棧是由編譯器自動管理的，不用你操心。
堆是動態分配內存的，並且你可以分配使用很大的內存。但是用不好會產生內存泄漏。並且頻繁地malloc和free會產生內存碎片（有點類似磁碟碎片），因為C分配動態內存時是尋找匹配的內存的。而用棧則不會產生碎片，在棧上存取數據比通過指針在堆上存取數據快些。一般大家說的堆棧和棧是一樣的，就是棧(stack)，而說堆時才是堆heap.棧是先入後出的，一般是由高地址向低地址生長。
堆(heap)和棧(stack)是C/C++編程不可避免會碰到的兩個基本概念。首先，這兩個概念都可以在講數據結構的書中找到，他們都是基本的數據結構，雖然棧更為簡單一些。在具體的C/C++編程框架中，這兩個概念並不是並行的。對底層機器代碼的研究可以揭示，棧是機器系統提供的數據結構，而堆則是C/C++函數庫提供的。具體地說，現代計算機(串列執行機制)，都直接在代碼底層支持棧的數據結構。這體現在，有專門的寄存器指向棧所在的地址，有專門的機器指令完成數據入棧出棧的操作。種機制的特點是效率高，支持的數據有限，一般是整數，指針，浮點數等系統直接支持的數據類型，並不直接支持其他的數據結構。因為棧的這種特點，對棧的使用在程序中是非常頻繁的。對子程序的調用就是直接利用棧完成的。機器的call指令里隱含了把返回地址推入棧，然後跳轉至子程序地址的操作，而子程序中的ret指令則隱含從堆棧中彈出返回地址並跳轉之的操作。C/C++中的自動變數是直接利棧的例子，這也就是為什麼當函數返回時，該函數的自動變數自動失效的原因。
和棧不同，堆的數據結構並不是由系統(無論是機器系統還是操作系統)支持的，而是由函數庫提供的。基本的malloc/realloc/free函數維護了一套內部的堆數據結構。當程序使用這些函數去獲得新的內存空間時，這套函數首先試圖從內部堆中尋找可用的內存空間，如果沒有可以使用的內存空間，則試圖利用系統調用來動態增加程序數據段的內存大小，新分配得到的空間首先被組織進內部堆中去，然後再以適當的形式返回給調用者。當程序釋放分配的內存空間時，這片內存空間被返回內部堆結構中，可能會被適當的處理(比如和其他空閑空間合並成更大的空閑空間)，以更適合下一次內存分配申請。這套復雜的分配機制實際上相當於一個內存分配的緩沖池(Cache)，使用這套機制有如下若干原因：
1. 系統調用可能不支持任意大小的內存分配。有些系統的系統調用只支持固定大小及其倍數的內存請求(按頁分配)；這樣的話對於大量的小內存分類來說會造成浪費。
2. 系統調用申請內存可能是代價昂貴的。系統調用可能涉及用戶態和核心態的轉換。
3. 沒有管理的內存分配在大量復雜內存的分配釋放操作下很容易造成內存碎片
堆和棧的對比
從以上知識可知，棧是系統提供的功能，特點是快速高效，缺點是有限制，數據不靈活；而堆是函數庫提供的功能，特點是靈活方便，數據適應面廣泛，但是效率有一定降低。棧是系統數據結構，對於進程/線程是唯一的；堆是函數庫內部數據結構，不一定唯一。不同堆分配的內存無法互相操作。棧空間分靜態分配和動態分配兩種。靜態分配是編譯器完成的，比如自動變數(auto)的分配。動態分配由alloca函數完成。棧的動態分配無需釋放(是自動的)，也就沒有釋放函數。為可移植的程序起見，棧的動態分配操作是不被鼓勵的！堆空間的分配總是動態的，雖然程序結束時所有的數據空間都會被釋放回系統，但是精確的申請內存/釋放內存匹配是良好程序的基本要素。