c语言内存机制

‘壹’ 详细讲解c语言五大内存分区与可执行程序的三段(Text段、Date段、Bss段)【建议收藏】

本文详细讲解C语言五大内存分区与可执行程序的三段（Text段、Data段、Bss段）。
首先，C语言五大内存分区包括：静态内存、动态内存、栈内存、堆内存和文件I/O内存。静态内存用于存储全局变量和静态变量，动态内存由new和malloc函数分配，栈内存用于函数调用时的局部变量和函数参数，堆内存用于动态分配和管理，文件I/O内存用于文件读写操作。
其次，可执行程序的三段分别为：Text段、Data段、Bss段。Text段存储了程序的机器代码，Data段存储了程序的全局变量和静态变量的初始值，Bss段用于存放未初始化的全局变量和静态变量。Text段和Data段是只读的，而Bss段是可读可写的。
在可执行程序内存空间与逻辑地址空间的映射与划分上，执行文件通常被映射到进程的逻辑地址空间中。执行文件的文本、数据和Bss段分别映射到进程的文本、数据和Bss段。
接着，存储类型关键字定义了变量的存储类型，如static、extern、auto和register。这影响了变量的作用域和生命周期。静态变量在全局或文件级作用域中，其生命周期在程序运行期间一直存在；外部变量在文件级作用域中，其值在程序运行期间始终存在；自动变量在函数作用域中，其值在函数调用结束后释放；寄存器变量在函数调用期间使用，以提高执行效率。
在堆与栈的区别上，堆和栈在申请方式、申请后的系统响应、申请大小限制、申请效率、存储内容以及存取效率上有所不同。在运行时刻赋值的变量通常在堆中分配，而编译时已经确定的变量通常在栈中分配。在存取效率上，栈上的数组比指针指向的字符串更快。

‘贰’ 在C语言进行编程中，为什么要释放旧内存

我们老师说的是C++ 没有回收动态申请内存的机制。需要主动释放。JAVA等高级语言有这种机制。刚查了下貌似C++确实没有。
即是说C/C++ 都需要主动释放动态申请的内存。

试着解释下为什么要主动释放动态申请的内存：
1.动态申请的内存，存储在堆中，编译器不会自己回收，回收的意义：通俗讲就是告诉编译器，这片内存可以使用。
如果不被回收，这片内存就永远都不会被重新利用。也就是内存泄露。
例如 int *a=(int *)malloc (sizeof(int)*4);
2.现在只有a这个指针指向这片动态申请的内存，再没有别的路径可以找到这片内存空间了。如果在释放a所指向的内存空间之前就改变了a的指向，那么可知，这片内存，将不可能再被找到了。那么这片内存就不会被释放，也就是上面说到的内存泄露。

‘叁’ C语言内存管理机制--malloc/calloc/free原理与实现

一、C程序的存储空间布局

在C程序中，存储空间布局通常分为栈和堆两种类型。栈用于函数调用时的局部变量存储，其大小由编译器自动管理，遵循后进先出（LIFO）原则。堆用于动态内存分配，可以由程序在运行时动态地请求和释放内存。

二、Heap内存模型

在堆内存中，malloc所申请的内存主要从堆区域分配。Linux内核通过维护一个break指针来管理堆空间。这个指针指向堆空间的某个地址，从堆起始地址（Heap’s Start）到break之间的地址空间为映射好的（虚拟地址与物理地址的映射，通过MMU实现），可以供进程访问。从break向上，是未映射的地址空间，访问这些空间会导致程序报错。

三、调整break：brk()和sbrk()

break指针最初位于bss段的末尾之后，当break指针升高时，程序可以访问新分配区域内的任何内存地址，而此时物理内存页尚未分配，内存会在进程首次试图访问这些虚拟内存地址时自动分配新的物理内存页。

Linux通过brk和sbrk系统调用操作break指针。brk()将break指针设置为指定位置，地址四舍五入到下一个内存页的边界处。sbrk()将break指针在原有地址基础上增加指定的大小。sbrk(0)返回当前break指针的位置。系统对进程所分配的资源有限，包括映射的内存空间。

四、malloc

malloc函数用于在系统中动态分配连续的可用内存。它要求内存大小至少为指定的字节数，返回指向内存块起始地址的指针，多次调用不重叠分配地址，实现内存分配和释放。malloc函数的返回值总是字节对齐，适合高效访问C语言数据结构。

五、初探实现malloc

一个简单实现的malloc函数直接从未映射区域划出内存，但忽略了记录分配的内存块信息，导致内存释放时无法确定释放的大小，需要额外数据结构记录块信息。

六、正式实现malloc

实现一个完整的malloc需要一个数据结构组织堆内存，每个内存块包含元信息（大小、空闲状态、指针）和实际数据区域。查找合适的内存块、分配新的块、分裂块等操作需实现相应函数。

七、calloc的实现

calloc函数用于给一组相同对象分配内存，并初始化它们。实现只需两次调用malloc，一次分配内存，另一次初始化。

八、free的实现

free函数需要验证地址的有效性，并解决碎片问题。实现策略包括合并相邻空闲内存块，确保释放的地址与未映射区域之间是空闲的。

九、realloc的实现

realloc函数调整已分配内存的大小。实现包括复制现有内存、调整大小、释放旧内存等操作。

十、总结

通过上述机制，C语言提供内存管理功能，允许程序动态分配和释放内存。优化空间和实际应用的内存管理策略如Linux内核伙伴算法、STL空间配置器等提供了更高效的实现。

‘肆’ 我想了解c语言中内存分配问题方面的知识

C语言程序编译的内存分配：
1.栈区（stack） --编译器自动分配释放，主要存放函数的参数值，局部变量值等；
2.堆区（heap） --由程序员分配释放；
3.全局区或静态区 --存放全局变量和静态变量；程序结束时由系统释放，分为全局初始化区和全局未初始化区；
4.字符常量区 --常量字符串放与此，程序结束时由系统释放；
5.程序代码区--存放函数体的二进制代码
例： //main.c
int a=0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
void main()
{
int b; //栈
char s[]="bb"; //栈
char *p2; //栈
char *p3="123"; //其中，“123\0”常量区，p3在栈区
static int c=0; //全局区
p1=(char*)malloc(10); //10个字节区域在堆区
strcpy(p1,"123"); //"123\0"在常量区，编译器 可能 会优化为和p3的指向同一块区域
｝
一个C程序占用的内存可分为以下几类：
(一) 栈
这是由编译器自动分配和释放的区域。主要存储函数的参数，函数的局部变量等。当一个函数开始执行时，该函数所需的实参，局部变量就推入栈中，该函数执行完毕后，之前进入栈中的参数和变量等也都出栈被释放掉。它的运行方式类似于数据结构中的栈。
(二) 堆
这是由程序员控制分配和释放的区域，在C里，用malloc()函数分配的空间就存在于堆上。在堆上分配的空间不像栈一样在某个函数执行完毕就自动释放，而是一直存在于整个程序的运行期间。当然，如果你不手动释放(free()函数)这些空间，在程序运行结束后系统也会将之自动释放。对于小程序来说可能感觉不到影响的存在，但对于大程序，例如一个大型游戏，就会遇到内存不够用的问题了
(三) 全局区
C里的全局变量和静态变量存储在全局区。它们有点像堆上的空间，也是持续存在于程序的整个运行期间，但不同的是，他们是由编译器自己控制分配和释放的。
(四) 文字常量区
例如char *c = “123456”；则”123456”为文字常量，存放于文字常量区。也由编译器控制分配和释放。
(五) 程序代码区
存放函数体的二进制代码。
2． 例子(一)
int a = 0; //全局区
void main()
{
int b; //栈
char s[] = "abc"; //s在栈,"abc"在文字常量区
char *p1,*p2; //栈
char *p3 = "123456"; //"123456"在常量区，p3在栈上
static int c =0; //全局区
p1 = (char *)malloc(10); //p1在栈，分配的10字节在堆
p2 = (char *)malloc(20); //p2在栈，分配的20字节在堆
strcpy(p1, "123456"); //"123456"放在常量区
//编译器可能将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}
3． 例子(二)
//返回char型指针
char *f()
{
//s数组存放于栈上
char s[4] = {'1','2','3','0'};
return s; //返回s数组的地址，但程序运行完s数组就被释放了
}
void main()
{
char *s;
s = f();
printf ("%s", s); //打印出来乱码。因为s所指向地址已经没有数据
}
还有就是函数调用时会在栈上有一系列的保留现场及传递参数的操作。
栈的空间大小有限定，vc的缺省是2M。栈不够用的情况一般是程序中分配了大量数组和递归函数层次太深。有一点必须知道，当一个函数调用完返回后它会释放该函数中所有的栈空间。栈是由编译器自动管理的，不用你操心。
堆是动态分配内存的，并且你可以分配使用很大的内存。但是用不好会产生内存泄漏。并且频繁地malloc和free会产生内存碎片（有点类似磁盘碎片），因为C分配动态内存时是寻找匹配的内存的。而用栈则不会产生碎片，在栈上存取数据比通过指针在堆上存取数据快些。一般大家说的堆栈和栈是一样的，就是栈(stack)，而说堆时才是堆heap.栈是先入后出的，一般是由高地址向低地址生长。
堆(heap)和栈(stack)是C/C++编程不可避免会碰到的两个基本概念。首先，这两个概念都可以在讲数据结构的书中找到，他们都是基本的数据结构，虽然栈更为简单一些。在具体的C/C++编程框架中，这两个概念并不是并行的。对底层机器代码的研究可以揭示，栈是机器系统提供的数据结构，而堆则是C/C++函数库提供的。具体地说，现代计算机(串行执行机制)，都直接在代码底层支持栈的数据结构。这体现在，有专门的寄存器指向栈所在的地址，有专门的机器指令完成数据入栈出栈的操作。种机制的特点是效率高，支持的数据有限，一般是整数，指针，浮点数等系统直接支持的数据类型，并不直接支持其他的数据结构。因为栈的这种特点，对栈的使用在程序中是非常频繁的。对子程序的调用就是直接利用栈完成的。机器的call指令里隐含了把返回地址推入栈，然后跳转至子程序地址的操作，而子程序中的ret指令则隐含从堆栈中弹出返回地址并跳转之的操作。C/C++中的自动变量是直接利栈的例子，这也就是为什么当函数返回时，该函数的自动变量自动失效的原因。
和栈不同，堆的数据结构并不是由系统(无论是机器系统还是操作系统)支持的，而是由函数库提供的。基本的malloc/realloc/free函数维护了一套内部的堆数据结构。当程序使用这些函数去获得新的内存空间时，这套函数首先试图从内部堆中寻找可用的内存空间，如果没有可以使用的内存空间，则试图利用系统调用来动态增加程序数据段的内存大小，新分配得到的空间首先被组织进内部堆中去，然后再以适当的形式返回给调用者。当程序释放分配的内存空间时，这片内存空间被返回内部堆结构中，可能会被适当的处理(比如和其他空闲空间合并成更大的空闲空间)，以更适合下一次内存分配申请。这套复杂的分配机制实际上相当于一个内存分配的缓冲池(Cache)，使用这套机制有如下若干原因：
1. 系统调用可能不支持任意大小的内存分配。有些系统的系统调用只支持固定大小及其倍数的内存请求(按页分配)；这样的话对于大量的小内存分类来说会造成浪费。
2. 系统调用申请内存可能是代价昂贵的。系统调用可能涉及用户态和核心态的转换。
3. 没有管理的内存分配在大量复杂内存的分配释放操作下很容易造成内存碎片
堆和栈的对比
从以上知识可知，栈是系统提供的功能，特点是快速高效，缺点是有限制，数据不灵活；而堆是函数库提供的功能，特点是灵活方便，数据适应面广泛，但是效率有一定降低。栈是系统数据结构，对于进程/线程是唯一的；堆是函数库内部数据结构，不一定唯一。不同堆分配的内存无法互相操作。栈空间分静态分配和动态分配两种。静态分配是编译器完成的，比如自动变量(auto)的分配。动态分配由alloca函数完成。栈的动态分配无需释放(是自动的)，也就没有释放函数。为可移植的程序起见，栈的动态分配操作是不被鼓励的！堆空间的分配总是动态的，虽然程序结束时所有的数据空间都会被释放回系统，但是精确的申请内存/释放内存匹配是良好程序的基本要素。