内存布局

1. 内存分区

C代码经过预处理、编译、汇编、链接4步后生成一个二进制可执行程序。

在 Linux 下，可以在命令行中通过size命令查看二进制文件（可执行文件、静态库、动态库等）的大小和节（section）信息。

size 命令的基本语法是：

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size [选项] [文件名]

示例使用：

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$ size my_program

上述名为 my_program 的可执行文件的大小信息输出如下：

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text    data     bss     dec     hex filename
10024   464      24      10512   2900 my_program
  • text：代码段（可执行文件）或只读数据段（库文件）的大小。
  • data：已初始化数据段的大小。
  • bss：未初始化数据段（bss）的大小。
  • dec：代码段、数据段和bss段的总大小。
  • hex：十六进制表示的 dec 的大小。
  • filename：文件的名称。

通过命令输出的信息可以得知，在没有运行程序前，也就是说程序没有加载到内存前，可执行程序内部已经分好3段信息，分别为代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）3 个部分（有些人直接把 data 和 bss 合起来叫做静态区或全局区）。

  • 代码区（text segment）

    加载的是可执行文件代码段，所有的可执行代码都加载到代码区，这块内存是不可以在运行期间修改的。

  • 未初始化数据区（BSS）

    加载的是可执行文件BSS段，位置可以分开亦可以紧靠数据段，存储于数据段的数据（全局未初始化，静态未初始化数据）的生存周期为整个程序运行过程。

  • 已初始化数据区（data segment）

    加载的是可执行文件数据段，存储于数据段（全局初始化，静态初始化数据，文字常量(只读)）的数据的生存周期为整个程序运行过程。

  • 栈区（stack）

    栈是一种先进后出的内存结构，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、返回值、局部变量等。在程序运行过程中实时加载和释放，因此，局部变量的生存周期为申请到释放该段栈空间。

  • 堆区（heap）

    堆是一个大容器，它的容量要远远大于栈，但没有栈那样先进后出的顺序。用于动态内存分配。堆在内存中位于BSS区和栈区之间。一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收。

下表是对变量类型、作用域、生命周期、存储位置的总结：

类型 作用域 生命周期 存储位置
局部变量 一对{}内 当前函数 栈区
static局部变量 一对{}内 整个程序运行期 初始化在data段，未初始化在BSS段
extern变量 整个程序 整个程序运行期 初始化在data段，未初始化在BSS段
static全局变量 当前文件 整个程序运行期 初始化在data段，未初始化在BSS段
extern函数 整个程序 整个程序运行期 代码区
static函数 当前文件 整个程序运行期 代码区
register变量 一对{}内 当前函数 运行时存储在CPU寄存器
字符串常量 当前文件 整个程序运行期 data段

在下面的示例程序中打印了不同类型的变量对应的数据存储位置：

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

int e;
static int f;
int g = 10;
static int h = 10;
int main()
{
    int a;
    int b = 10;
    static int c;
    static int d = 10;
    char* i = "test";
    char* k = NULL;

    printf("&a\t %p\t // 局部未初始化变量\n", &a);
    printf("&b\t %p\t // 局部初始化变量\n", &b);

    printf("&c\t %p\t // 静态局部未初始化变量\n", &c);
    printf("&d\t %p\t // 静态局部初始化变量\n", &d);

    printf("&e\t %p\t // 全局未初始化变量\n", &e);
    printf("&f\t %p\t // 全局静态未初始化变量\n", &f);

    printf("&g\t %p\t // 全局初始化变量\n", &g);
    printf("&h\t %p\t // 全局静态初始化变量\n", &h);

    printf("i\t %p\t // 只读数据(文字常量区)\n", i);

    k = (char*)malloc(10);
    printf("k\t %p\t // 动态分配的内存\n", k);

    return 0;
}

2. 内存操作函数

2.1 memset()

memset 是 C 语言标准库 <string.h> 中提供的一个函数，用于将一块内存区域填充为指定的值。

memset 函数的原型如下：

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void *memset(void *ptr, int value, size_t num);

参数说明：

  • ptr：指向要填充的内存区域的指针。
  • value：要填充的值，以整数形式传递。
  • num：要填充的字节数。

memset 函数将指定内存区域 ptr 开始的 num 个字节设置为 value。

以下是一个使用 memset 的示例：

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

int main() 
{
    char str[15];
    // 填充 str 数组的前 15 个字节为字符 'A'
    memset(str, 'A', 15);
    printf("str 内容为：%s\n", str);

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个 char 类型的数组 str，长度为 15。使用 memset 函数将数组的前 15 个字节设置为字符 'A'。最后使用 printf 函数打印数组内容。

运行程序后的输出结果如下所示：

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str 内容为：AAAAAAAAAAAAAAA

需要注意的是，memset 函数逐字节设置指定内存区域，适用于字符类型 (char) 或无符号字节类型 (unsigned char) 的数据。对于其他数据类型，如整数或自定义结构体，如果需要设置为其他具体的值，可以使用其他方法，如循环逐个赋值。此外，在使用 memset 时需要确保目标内存区域的大小不超过其分配的大小，以避免访问越界。

2.2 memcpy()

memcpy 是 C 语言标准库 <string.h> 中提供的一个函数，用于将源内存区域的内容复制到目标内存区域。

memcpy 函数的原型如下：

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void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

参数说明：

  • dest：指向目标内存区域的指针，也就是要将源数据复制到的地方。
  • src：指向源内存区域的指针，也就是要复制的数据来源。
  • n：要复制的字节数。

memcpy 函数会将源内存区域 src 的前 n 个字节的内容复制到目标内存区域 dest 中。

以下是一个使用 memcpy 的示例：

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

int main() 
{
    char src[] = "Hello, Dabing!";
    char dest[20];

    // 将 src 数组的内容复制到 dest 数组
    memcpy(dest, src, strlen(src) + 1);
    printf("dest 内容为：%s\n", dest);

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个 src 数组，内容为 "Hello, Dabing!"，然后定义了一个 dest 数组作为目标。使用 memcpy 函数将 src 数组的内容复制到 dest 数组中。最后使用 printf 打印 dest 数组的内容。

运行程序后的输出结果如下所示：

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dest 内容为：Hello, Dabing!

需要注意的是，memcpy 函数逐字节复制源内存区域的内容到目标内存区域，适用于任意类型的数据。但需要确保目标内存区域的大小足够容纳源数据，以避免访问越界。同时，为了防止内存重叠导致不确定的结果，建议源内存区域和目标内存区域不能重叠。

2.3 memmove()

memmove 是 C 语言标准库 <string.h> 中提供的一个函数，用于在内存中移动一块数据。

memmove 函数的原型如下：

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void *memmove(void *dest, const void *src, size_t n);

参数说明：

  • dest：指向目标内存区域的指针，也就是要将数据移动到的地方。
  • src：指向源内存区域的指针，也就是要移动的数据来源。
  • n：要移动的字节数。

memmove 函数会将源内存区域 src 的内容移动到目标内存区域 dest 中，并且可以处理内存重叠的情况。

以下是一个使用 memmove 的示例：

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

int main() 
{
    char str[] = "Hello, Dabing!";
    char buffer[20];

    // 将 str 数组的内容移动到 buffer 数组
    memmove(buffer, str, strlen(str) + 1);
    printf("buffer 内容为：%s\n", buffer);

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个 str 数组，内容为 "Hello, Dabing!"，然后定义了一个 buffer 数组作为目标。使用 memmove 函数将 str 数组的内容移动到 buffer 数组中。最后使用 printf 打印 buffer 数组的内容。运行程序后的输出结果如下所示：

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buffer 内容为：Hello, Dabing!

需要注意的是，与 memcpy 不同的是，memmove 函数能够处理源内存区域和目标内存区域重叠的情况，以确保正确的数据移动。因此，当需要在内存中进行数据移动时，并且源内存区域和目标内存区域可能重叠时，建议使用 memmove 函数而不是 memcpy 函数。

2.4 memcmp()

memcmp 是 C 语言标准库 <string.h> 中提供的一个函数，用于比较两个内存区域的内容。

memcmp 函数的原型如下：

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int memcmp(const void *ptr1, const void *ptr2, size_t num);

参数说明：

  • ptr1：指向第一个内存区域的指针。
  • ptr2：指向第二个内存区域的指针。
  • num：要比较的字节数。

memcmp 函数会比较 ptr1 和 ptr2 指向的内存区域的前 num 个字节的内容，并根据比较结果返回一个整数值。返回值的含义如下：

  • 如果 ptr1 的内容小于 ptr2 的内容，返回一个负整数。
  • 如果 ptr1 的内容等于 ptr2 的内容，返回 0。
  • 如果 ptr1 的内容大于 ptr2 的内容，返回一个正整数。

以下是一个使用 memcmp 的示例：

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

int main() 
{
    char str1[] = "Hello";
    char str2[] = "World";

    int result = memcmp(str1, str2, 5);
    if (result < 0) 
    {
        printf("str1 小于 str2\n");
    }
    else if (result == 0) 
    {
        printf("str1 等于 str2\n");
    }
    else 
    {
        printf("str1 大于 str2\n");
    }

    return 0;
}

在上述示例中，我们使用 memcmp 函数比较了两个字符串 str1 和 str2 的前 5 个字符。根据比较结果，使用条件语句判断并打印了相应的结果。

运行程序后的输出结果如下：

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str1 小于 str2

需要注意的是，memcmp 函数是以字节为单位进行比较的，因此适用于比较任意类型的数据。但是，当比较字符串时，建议使用字符串比较函数 strcmp 来代替 memcmp，因为 strcmp 能够根据字符串的终止符'\0'自动确定比较的长度，而不需要显式指定比较的字节数。

3. 堆内存的分配和释放

3.1 函数原型

在 C 语言中，使用标准库函数 <stdlib.h> 中的以下函数来进行堆内存的分配和释放：

  1. 分配内存有三种方式：

    • malloc：分配一块新的内存

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      #include <stdlib.h>
      void* malloc(size_t size);
      • 参数size 表示欲分配的内存大小，以字节为单位。
      • 返回值：
        • 成功，返回一个指向分配内存的指针
        • 失败，则返回 NULL。

    • calloc：与 malloc 类似，用于分配指定数量的内存块。不同之处在于，calloc 还会将分配的内存块初始化为0。

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      #include <stdlib.h>
      void* calloc(size_t num, size_t size);
      • 函数参数
        • num 表示欲分配的内存块数目
        • size 表示每个内存块的大小（以字节为单位）
      • 函数返回值：
        • 成功，返回一个指向分配内存的指针
        • 失败，则返回 NULL。

    • realloc：用于重新分配已分配内存的大小。

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      #include <stdlib.h>
      void* realloc(void* ptr, size_t size);
      • 函数参数
        • ptr 是之前使用 malloc、calloc 或 realloc 函数分配的内存块的指针
        • size 表示需要重新分配的内存大小（以字节为单位）
      • 函数返回值：
        • 成功，返回一个指向重新分配后内存的指针
        • 失败，返回 NULL。

  2. 释放内存：

    • free：用于释放之前通过 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存。它接受一个指针作为参数，将该指针所指向的内存块释放，并使该指针不再有效。
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      #include <stdlib.h>
      void free(void* ptr);

3.2 malloc()

以下是一个使用 malloc 分配内存的示例：

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

int main() 
{
    int* ptr;
    // 分配可以存储 5 个 int 值的内存块, 内存中的值是随机的
    ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 使用分配的内存块
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        ptr[i] = i + 1;
    }

    // 打印内存中的值
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");
    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

在上述示例中，我们首先定义了一个指向 int 类型的指针 ptr，然后使用 malloc 分配了可以存储 5 个 int 值的内存块。如果分配成功，则返回的指针被赋给 ptr。我们可以使用这块分配的内存来存储和访问数据。最后，使用 free 函数释放了分配的内存。

需要注意以下几点：

  • 使用 malloc 分配的内存需要在使用完毕后调用 free 函数进行释放，以避免内存泄漏。
  • 分配的内存大小应根据实际需要进行调整，大小不足可能导致程序运行错误，而过大可能浪费内存资源。
  • 当使用 malloc 分配内存失败时，返回的指针为 NULL，需要对其进行检查。

在实际开发中，使用 malloc 分配动态内存可以灵活地管理和利用内存资源，但也需要注意内存的释放和错误处理，以确保程序的正确性和健壮性。

3.3 calloc()

以下是一个使用 calloc 分配内存的示例：

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

int main() 
{
    int* ptr;
    // 分配可以存储 5 个 int 值的内存块，并初始化为 0
    ptr = (int*)calloc(5, sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 打印内存中的值
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");
    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

在上述示例中，我们使用 calloc 分配了可以存储 5 个 int 值的内存块，并将所有元素初始化为 0。然后，我们通过循环打印了分配的内存块中的值。需要注意以下几点：

  • 与 malloc 类似，使用 calloc 分配的内存需要在使用完毕后调用 free 函数进行释放，以避免内存泄漏。
  • 分配的内存大小应根据实际需要进行调整，大小不足可能导致程序运行错误，而过大可能浪费内存资源。
  • 当使用 calloc 分配内存失败时，返回的指针为 NULL，需要对其进行检查。

使用 calloc 可以方便地分配内存，并初始化为零。在需要使用零初始化的情况下，calloc 是一个很有用的函数。

3.4 realloc()

以下是一个使用 realloc 重新分配内存大小的示例：

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

int main() 
{
    // 分配可以存储 5 个 int 值的内存块
    int* ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 重新分配内存为可以存储 10 个 int 值的内存块
    ptr = (int*)realloc(ptr, 10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) 
    {
        printf("内存重新分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 打印重新分配内存后的值
    for (int i = 0; i < 10; i++) 
    {
        ptr[i] = i + 100;
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");
    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

在上述示例中，我们首先使用 malloc 分配了可以存储 5 个 int 值的内存块，然后使用 realloc 将内存重新分配为可以存储 10 个 int 值的内存块。注意，当调用 realloc 后，我们需要将返回的指针重新赋值给原来的指针变量 ptr，以确保使用的是重新分配后的内存。

需要注意以下几点：

  • 使用 realloc 重新分配内存后，返回的指针可能是原有内存的地址，也可能是新分配内存的地址，因此在重新分配内存后要基于返回的地址进行后续的处理。
  • 当使用 realloc 重新分配内存失败时，返回的指针为 NULL，需要对其进行检查。
  • 在使用 realloc 时，尽量提供尽可能准确的新大小，避免频繁地重新分配内存，以提高效率。

使用 realloc 可以动态地调整已分配内存的大小，使其更适应程序的需求。在需要动态修改内存大小的情况下，realloc 是一个有用的函数。