謹(jǐn)記

人生有兩條路，一天需要用心走，叫做夢想；一條需要用腳走，叫做現(xiàn)實(shí)。心走的太快，會迷路的；腳走的太快，會摔倒的；心走的太慢，現(xiàn)實(shí)會蒼白；腳走的太慢，夢不會高飛。人生的精彩，是心走得好，腳步剛好能跟上。掌控好你的心，讓它走正；加快你的步伐，讓所有夢想生出美麗的翅膀。

前言

今天為大家?guī)淼氖荂語言里面的內(nèi)存管理的知識點(diǎn)，這篇文章過后，我們C語言的大體基本知識就已經(jīng)介紹完了，那么下一篇文章開始，我講講解OC語法，也就是蘋果公司推出的Objective-C語言，這是蘋果應(yīng)用開發(fā)的語言，也歡迎大家閱讀，本篇文章是對C語言內(nèi)存管理的一個講解，內(nèi)存的使用是程序設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素之一，這不僅由于系統(tǒng)內(nèi)存是有限的（尤其在嵌入式系統(tǒng)中），而且內(nèi)存分配也會直接影響到程序的效率。因此，讀者要對C語言中的內(nèi)存管理，有個系統(tǒng)的了解。

內(nèi)存管理

在C語言中，定義了4個內(nèi)存區(qū)間：代碼區(qū)；全局變量與靜態(tài)變量區(qū)；局部變量區(qū)即棧區(qū)；動態(tài)存儲區(qū)，即堆區(qū)。下面分別對這4個區(qū)進(jìn)行介紹。
① 代碼區(qū)。代碼區(qū)中主要存放程序中的代碼，屬性是只讀的。
② 全局變量與靜態(tài)變量區(qū)。也稱為靜態(tài)存儲區(qū)域。內(nèi)存在程序編譯的時(shí)候就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個運(yùn)行期間都存在。例如：全局變量、靜態(tài)變量和字符串常量。分配在這個區(qū)域中的變量，當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，才釋放內(nèi)存。因此，經(jīng)常利用這樣的變量，在函數(shù)間傳遞信息。
③ 棧區(qū)。在棧上創(chuàng)建。在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)
建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。在linux系統(tǒng)中，通過命令“ulimit –s”，可以看到，棧的容量為8192kbytes，即8M。
這種內(nèi)存方式，變量內(nèi)存的分配和釋放都自動進(jìn)行，程序員不需要考慮內(nèi)存管理的問題，很方便使用。但缺點(diǎn)是，棧的容量有限制，且當(dāng)相應(yīng)的范圍結(jié)束時(shí)，局部變量就不能在使用。
④ 堆區(qū)。有些操作對象只有在程序運(yùn)行時(shí)才能確定，這樣編譯器在編譯時(shí)就無法為他們預(yù)先分配空間，只能在程序運(yùn)行時(shí)分配，所以稱為動態(tài)分配。
比如：下面的結(jié)構(gòu)體定義：

struct employee
{
char name[8];
int age;
char gender;
float salary;
}; 

在該結(jié)構(gòu)體定義中，員工的姓名是用字符數(shù)組來存儲。若員工的姓名由用戶輸入，則只有在用戶輸入結(jié)束后，才能精確的知道，需要多少內(nèi)存，在這種情況下，使用動態(tài)內(nèi)存分配更合乎邏輯，應(yīng)該把結(jié)構(gòu)體的定義改成下面的形式：

struct employee
{
char *name;
int age;
char gender;
float salary;
};

動態(tài)分配內(nèi)存就是在堆區(qū)上分配。程序在運(yùn)行的時(shí)候用malloc申請任意多少的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在何時(shí)用free釋放內(nèi)存。動態(tài)內(nèi)存的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。
下面的這段程序說明了不同類型的內(nèi)存分配。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
/*C語言中數(shù)據(jù)的內(nèi)存分配*/
int a = 0; 
char *p1; 
int main()
{
    int b;                  /* b在棧 */
    char s[] = "abc";           /* s在棧， "abc"在常量區(qū) */
    char *p2;                   /* p2在棧 */
    char *p3 = "123456";        /*"123456"在常量區(qū)，p3在棧*/
    static int c =0;            /*可讀可寫數(shù)據(jù)段*/
    p1 = (char *)malloc(10);    /*分配得來的10個字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)*/
    p2 = (char *)malloc(20);    /*分配得來的20個字節(jié)的區(qū)域在堆區(qū)*/
    /* 從常量區(qū)的“Hello World”字符串復(fù)制到剛分配到的堆區(qū) */
    strcpy(p1, “Hello World");
    return 0;
}

動態(tài)內(nèi)存的申請和分配

當(dāng)程序運(yùn)行到需要一個動態(tài)分配的變量時(shí)，必須向系統(tǒng)申請取得堆中的一塊所需大小的存儲空間，用于存儲該變量。當(dāng)不再使用該變量時(shí)，也就是它的生命結(jié)束時(shí)，要顯式釋放它所占用的存儲空間，這樣系統(tǒng)就能對該堆空間進(jìn)行再次分配，做到重復(fù)使用有限的資源。下面將介紹動態(tài)內(nèi)存申請和釋放的函數(shù)。

malloc函數(shù)
在C語言中，使用malloc函數(shù)來申請內(nèi)存。函數(shù)原型如下：

#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);

其中，參數(shù)size代表需要動態(tài)申請的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。若內(nèi)存申請成功，函數(shù)返回申請到的內(nèi)存的起始地址，若申請失敗，返回NULL。使用該函數(shù)時(shí)，有下面幾點(diǎn)要注意：
（1）只關(guān)心申請內(nèi)存的大小。該函數(shù)的參數(shù)，很簡單，只有申請內(nèi)存的大小，單位是字節(jié)。
（2）申請的是一塊連續(xù)的內(nèi)存。該函數(shù)一定是申請一塊連續(xù)的區(qū)間，可能申請到的內(nèi)存比實(shí)際申請的大。也可能申請不到，若申請失敗，返回NULL。讀者，一定記得寫出錯判斷。
（3）返回值類型是void *。函數(shù)的返回值是void *，不是某種具體類型的指針。讀者可以理解成，該函數(shù)只是申請內(nèi)存，對在內(nèi)存中存儲什么類型的數(shù)據(jù)，沒有要求。因此，返回值是void *。在實(shí)際編程中，根據(jù)實(shí)際情況，將void * 轉(zhuǎn)換成所需要的指針類型。
（4）顯示初始化。注意，堆區(qū)是不會自動在分配時(shí)做初始化的（包括清零），所以程序中需要顯式的初始化。

free函數(shù)
在堆區(qū)上分配的內(nèi)存，需要用free函數(shù)顯示釋放。函數(shù)原型如下：

#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);

函數(shù)的參數(shù)ptr，指的是需要釋放的內(nèi)存的起始地址。該函數(shù)沒有返回值。使用該函數(shù)，也有下面幾點(diǎn)需要注意：
（1）必須提供內(nèi)存的起始地址。調(diào)用該函數(shù)時(shí)，必須提供內(nèi)存的起始地址，不能提供部分地址，釋放內(nèi)存中的一部分是不允許的。因此，必須保存好malloc返回的指針值，若丟失，則所分配的堆空間無法回收，稱內(nèi)存泄漏。
（2）malloc和free配對使用。編譯器不負(fù)責(zé)動態(tài)內(nèi)存的釋放，需要程序員顯示釋放。因此，malloc與free是配對使用的，避免內(nèi)存泄漏。
示例代碼

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int *get_memory(int n){
    int *p, i;
    if ((p = (int *)malloc(n * sizeof(int))) == NULL){
        printf("malloc error\n");
        return p;
    }
    memset(p, 0, n * sizeof(int));
    for (i = 0; i < n; i++)
        p[i] = i+1;
    return p;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
    int n, *p, i;
    printf("input n:");
    scanf("%d", &n);
    if ((p = get_memory(n)) == NULL)
        return 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
        printf("%d ", p[i]);
    printf("\n");
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}
輸出結(jié)果：
input n:10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Program ended with exit code: 0

說明：該程序演示了動態(tài)內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)用法。動態(tài)內(nèi)存的申請，通過一個指針函數(shù)來完成。內(nèi)存申請時(shí)，判斷是否申請成功，成功后，對內(nèi)存初始化。在主調(diào)函數(shù)中，動態(tài)內(nèi)存依然可以訪問，不再訪問內(nèi)存時(shí)，用free函數(shù)釋放。
3）不允許重復(fù)釋放。同一空間的重復(fù)釋放也是危險(xiǎn)的，因?yàn)樵摽臻g可能已另分配。在上面程序中，如果釋放堆空間兩次（連續(xù)調(diào)用兩次free(p)），會出現(xiàn)崩潰，控制臺打印很多內(nèi)存指令。
（4）free只能釋放堆空間。像代碼區(qū)、全局變量與靜態(tài)變量區(qū)、棧區(qū)上的變量，都不需要程序員顯示釋放，這些區(qū)域上的空間，不能通過free函數(shù)來釋放，否則執(zhí)行時(shí)，會出錯。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    int a[10] = {0};
    free(a);
    return 0;
}
輸出結(jié)果：
內(nèi)存管理(1624,0x10007f000) malloc: *** error for object 0x7fff5fbff820: pointer being freed was not allocated
*** set a breakpoint in malloc_error_break to debug
這里程序運(yùn)行后會報(bào)錯，直接會崩潰，這里讀者自己去嘗試一下。

野指針
提到野指針，前面我們說指針的時(shí)候，都已經(jīng)提過了，這里就簡單的在提一下。
野指針指的是指向“垃圾”內(nèi)存的指針，不是NULL指針。出現(xiàn)“野指針”主要有以下原因：
（1）指針變量沒有被初始化。指針變量和其它的變量一樣，若沒有初始化，值是不確定的。也就是說，沒有初始化的指針，指向的是垃圾內(nèi)存，非常危險(xiǎn)。

#include <stdio.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    int *p;
    printf("%d\n", *p);
    *p = 10;
    printf("%d\n", *p);
    return 0;
}

（2）指針p被free之后，沒有置為NULL。free函數(shù)是把指針?biāo)赶虻膬?nèi)存釋放掉，使內(nèi)存成為了自由內(nèi)存。但是，該函數(shù)并沒有把指針本身的內(nèi)容清楚。指針仍指向已經(jīng)釋放的動態(tài)內(nèi)存，這是很危險(xiǎn)。
程序員稍有疏忽，會誤以為是個合法的指針。就有可能再通過指針去訪問動態(tài)內(nèi)存。實(shí)際上，這時(shí)的內(nèi)存已經(jīng)是垃圾內(nèi)存了。
關(guān)于野指針會造成什么樣的后果，這是很難估計(jì)的。若內(nèi)存仍然是空閑的，可能程序暫時(shí)正常運(yùn)行；若內(nèi)存被再次分配，又通過野指針對內(nèi)存進(jìn)行了寫操作，則原有的合法數(shù)據(jù)，會被覆蓋，這時(shí)，野指針造成的影響將是無法估計(jì)的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    int n = 5, *p, i;
    if ((p = (int *)malloc(n * sizeof(int))) == NULL){
        printf("malloc error\n");
        return 0;
    }
    memset(p, 0, n * sizeof(int));
    for (i = 0; i < n; i++){
        p[i] = i+1;
        printf("%d ", p[i]);
    }
    printf("\n");
    printf("p=%p *p=%d\n", p, *p);
    free(p);
    printf("after free:p=%p *p=%d\n", p, *p);
    *p = 100;
    printf("p=%p *p=%d\n", p, *p);
    return 0;
}
說明：該程序中，故意在執(zhí)行了“free(p)”之后，通過野指針p對動態(tài)內(nèi)存進(jìn)行了讀寫，程序正常執(zhí)行，也在預(yù)料之中。前面已經(jīng)分析過，內(nèi)存釋放后，若繼續(xù)訪問甚至修改，后果是不可預(yù)料的。

（3）指針操作超越了變量的作用范圍。指針操作時(shí)，由于邏輯上的錯誤，導(dǎo)致指針訪問了非法內(nèi)存，這種情況讓人防不勝防，只能依靠程序員好的編碼風(fēng)格，已及扎實(shí)的基本功。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    int a[5] = {1, 9, 6, 2, 10}, *p, i, n;
    n = sizeof(a) / sizeof(n);
    p = a;
    for (i = 0; i <= n; i++){
        printf("%d ", *p);
        p++;
    }
    printf("\n");
    *p = 100;
    printf("*p=%d\n", *p);
    return 0;
}
說明：該程序故意出了兩個錯誤，一是for循環(huán)的條件“i <= n”，p指針指向了數(shù)組以外的空間。二是“*p = 100”，對非法內(nèi)存進(jìn)行了寫操作。

（4）不要返回指向棧內(nèi)存的指針。在函數(shù)中，詳細(xì)介紹了指針函數(shù)，指針函數(shù)會返回一個指針。在主調(diào)函數(shù)中，往往會通過返回的指針，繼續(xù)訪問指向的內(nèi)存。因此，指針函數(shù)不能返回棧內(nèi)存的起始地址，因?yàn)闂?nèi)存在函數(shù)結(jié)束時(shí)會被釋放。

堆和棧的區(qū)別

1．申請方式
棧（stack）是由系統(tǒng)自動分配的。例如，聲明函數(shù)中一個局部變量“int b;”，那么系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間。堆（heap）需要程序員自己申請，并在申請時(shí)指定大小。使用C語言中的malloc函數(shù)的例子如下所示。
p1 = (char *)malloc(10);
2．申請后系統(tǒng)的響應(yīng)
堆在操作系統(tǒng)中有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表。當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請時(shí)，系統(tǒng)就會開始遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆節(jié)點(diǎn)，然后將該節(jié)點(diǎn)從空閑節(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該節(jié)點(diǎn)的空間分配給程序。另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，會在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小。這樣，代碼中的刪除語句才能正確地釋放本內(nèi)存空間。如果找到的堆節(jié)點(diǎn)的大小與申請的大小不相同，系統(tǒng)會自動地將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。
只有棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)才為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常，提示棧溢出。
3．申請大小的限制
堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址，地址是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存，因此堆獲得的空間比較靈活，也比較大。
棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。因此，棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，如果申請的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示棧溢出，因此，能從棧獲得的空間較小。
4．申請速度的限制
堆是由malloc等語句分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，不過用起來很方便。棧由系統(tǒng)自動分配，速度較快，但程序員一般無法控制。
5．堆和棧中的存儲內(nèi)容
堆一般在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小，堆中的具體內(nèi)容由程序員安排。
在調(diào)用函數(shù)時(shí)，第一個進(jìn)棧的是函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句的地址，然后是函數(shù)的各個參數(shù)，在大多數(shù)的C語言編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始的存儲地址，也就是調(diào)用該函數(shù)處的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

C語言關(guān)鍵字

C語言關(guān)鍵字volatile
C語言關(guān)鍵字volatile（注意它是用來修飾變量而不是上面介紹的volatile）表明某個變量的值可能隨時(shí)被外部改變（例如，外設(shè)端口寄存器值），因此對這些變量的存取不能緩存到寄存器，每次使用時(shí)需要重新讀取。
該關(guān)鍵字在多線程環(huán)境下經(jīng)常使用，因?yàn)樵诰帉懚嗑€程的程序時(shí)，同一個變量可能被多個線程修改，而程序通過該變量同步各個線程。對于C語言編譯器來說，它并不知道這個值會被其他線程修改，自然就把它緩存到寄存器里面。volatile的本意是指這個值可能會在當(dāng)前線程外部被改變，此時(shí)編譯器知道該變量的值會在外部改變，因此每次訪問該變量時(shí)會重新讀取。這個關(guān)鍵字在外設(shè)接口編程中經(jīng)常被使用。

總結(jié)

本篇文章簡單的介紹C語言中的內(nèi)存管理，希望讀者掌握。

結(jié)尾

希望讀者真誠的對待每一件事情，每天都能學(xué)到新的知識點(diǎn)，要記住，認(rèn)識短暫，開心也是過一天，不開心也是一天，無所事事也是一天，小小收獲也是一天，歡迎收藏和點(diǎn)贊、喜歡。最后送讀者一句話：你的路你自己選擇。