C语言内存讲解.docx
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C语言内存讲解
c语言中的堆和栈的区别
堆和栈的区别
1.申请方式
（1）栈（satck）:
由系统自动分配。
例如，声明在函数中一个局部变量intb;系统自动在栈中为b开辟空间。
（2）堆（heap）:
需程序员自己申请（调用malloc,realloc,calloc）,并指明大小，并由程序员进行释放。
容易产生memoryleak.
eg:
char p;
p=（char*）malloc（sizeof（char））;
但是，p本身是在栈中。
2.申请大小的限制
（1）栈：
在windows下栈是向底地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域（它的生长方向与内存的生长方向相反）。
栈的大小是固定的。
如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。
（2）堆：
堆是高地址扩展的数据结构（它的生长方向与内存的生长方向相同），是不连续的内存区域。
这是由于系统使用链表来存储空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由底地址向高地址。
堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。
3.系统响应：
（1）栈：
只要栈的空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
（2）堆：
首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，但系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的free语句才能正确的释放本内存空间。
另外，找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
说明：
对于堆来讲，对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。
对于栈来讲，则不会存在这个问题，
4.申请效率
（1）栈由系统自动分配，速度快。
但程序员是无法控制的
（2）堆是由malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生碎片，不过用起来最方便。
5.堆和栈中的存储内容
（1）栈：
在函数调用时，第一个进栈的主函数中后的下一条语句的地址，然后是函数的各个参数，参数是从右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。
注：
静态变量是不入栈的。
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续执行。
（2）堆：
一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。
6.存取效率
（1）堆：
char*s1=”hellowtigerjibo”;是在编译是就确定的
（2）栈：
chars1[]=”hellowtigerjibo”;是在运行时赋值的；用数组比用指针速度更快一些，指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下，而数组在栈上读取。
补充：
栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：
分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。
堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。
显然，堆的效率比栈要低得多。
7.分配方式：
（1）堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。
（2）栈有两种分配方式：
静态分配和动态分配。
静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。
动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的。
它的动态分配是由编译器进行释放，无需手工实现。
C语言 malloc 工作机制
void*malloc（size_tstSize）;
该函数在内存的动态存储区中分配stSize连续空间，返回值是一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针。
voidfree（void*firstbyte）;
如果给定一个由先前的malloc返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。
malloc工作机制:
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。
C语言中的时间函数及使用实例
#include/*NULL*/
#include/*ctime,asctime*/
main（）
{
time_tnow;
/*define'now'.time_tisprobably
*atypedef*/
/*Calendertimeisthenumberof
*secondssince1/1/1970*/
now=time（（time_t*）NULL）;
/*Getthesystemtimeandputit
*into'now'as'calendertime'*/
printf（"%s",ctime（&now））;
/*Formatdatain'now'
*NOTEthat'ctime'insertsa
*'\n'*/
/*********************************************************************/
/*Hereisanotherwaytoextractthetime/dateinformation*/
time（&now）;
printf（"%s",ctime（&now））;/*Formatdatain'now'*/
/*********************************************************************/
{
structtm*l_time;
l_time=localtime（&now）;
/*Convert'calendertime'to
*'localtime'-returnapointer
*tothe'tm'structure.localtime
*reservesthestorageforus.*/
printf（"%s",asctime（l_time））;
}
/*********************************************************************/
time（&now）;
printf（"%s",asctime（localtime（&now）））;
/*********************************************************************/
{
structtm*l_time;
charstring[20];
time（&now）;
l_time=localtime（&now）;
strftime（string,sizeofstring,"%d-%b-%y\n",l_time）;
printf（"%s",string）;
}
}
内存管理
欢迎进入内存这片雷区。
伟大的BillGates曾经失言：
640Koughttobeenoughforeverybody
—BillGates1981
程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。
如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们，躲是躲不了的。
本章的内容比一般教科书的要深入得多，读者需细心阅读，做到真正地通晓内存管理。
7.1内存分配方式
内存分配方式有三种：
（1）从静态存储区域分配。
内存在程序编译的时候就已经分配好，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。
（2）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。
（3）从堆上分配，亦称动态内存分配。
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，但问题也最多。
7.2常见的内存错误及其对策
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。
有时用户怒气冲冲地把你找来，程序却没有发生任何问题，你一走，错误又发作了。
常见的内存错误及其对策如下：
u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。
常用解决办法是，在使用内存之前检查指针是否为NULL。
如果指针p是函数的参数，那么在函数的入口处用assert（p!
=NULL）进行检查。
如果是用malloc或new来申请内存，应该用if（p==NULL）或if（p!
=NULL）进行防错处理。
u内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。
犯这种错误主要有两个起因：
一是没有初始化的观念；二是误以为内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误（例如数组）。
内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准，尽管有些时候为零值，我们宁可信其无不可信其有。
所以无论用何种方式创建数组，都别忘了赋初值，即便是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。
u内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。
例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。
特别是在for循环语句中，循环次数很容易搞错，导致数组操作越界。
u忘记了释放内存，造成内存泄露。
含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。
刚开始时系统的内存充足，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与free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误（new/delete同理）。
u释放了内存却继续使用它。
有三种情况：
（1）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。
（2）函数的return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。
（3）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”。
l【规则7-2-1】用malloc或new申请内存之后，应该立即检查指针值是否为NULL。
防止使用指针值为NULL的内存。
l【规则7-2-2】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。
l【规则7-2-3】避免数组或指针的下标越界，特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
l【规则7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
l【规则7-2-5】用free或delete释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。
7.3指针与数组的对比
C++/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。
下面以字符串为例比较指针与数组的特性。
示例7-3-1中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello\0。
a的内容可以改变，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\0），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。
chara[]=“hello”;
a[0]=‘X’;
cout<char*p=“world”;//注意p指向常量字符串
p[0]=‘X’;//编译器不能发现该错误
cout<示例7-3-1修改数组和指针的内容
7.3.2内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。
示例7-3-2中，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，不能用if（b==a）来判断，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。
//数组…
chara[]="hello";
charb[10];
strcpy（b,a）;//不能用b=a;
if（strcmp（b,a）==0）//不能用if（b==a）
…
//指针…
intlen=strlen（a）;
char*p=（char*）malloc（sizeof（char）*（len+1））;
strcpy（p,a）;//不要用p=a;
if（strcmp（p,a）==0）//不要用if（p==a）
…
示例7-3-2数组和指针的内容复制与比较
用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。
示例7-3-3（a）中，sizeof（a）的值是12（注意别忘了’\0’）。
指针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，相当于sizeof（char*），而不是p所指的内存容量。
C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量，除非在申请内存时记住它。
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。
示例7-3-3（b）中，不论数组a的容量是多少，sizeof（a）始终等于sizeof（char*）。
chara[]="helloworld";
char*p=a;
cout<cout<示例7-3-3（a）计算数组和指针的内存容量
voidFunc（chara[100]）
{
cout<}
示例7-3-3（b）数组退化为指针
7.4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7-4-1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？
voidGetMemory（char*p,intnum）
{
p=（char*）malloc（sizeof（char）*num）;
}
voidTest（void）
{
char*str=NULL;
GetMemory（str,100）;//str仍然为NULL
strcpy（str,"hello"）;//运行错误
}
示例7-4-1试图用指针参数申请动态内存
毛病出在函数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就会泄露一块内存，因为没有用free释放内存。
如果非得要用指针参数去申请内存，那么应该改用“指向指针的指针”，见示例7-4-2。
voidGetMemory2（char**p,intnum）
{
*p=（char*）malloc（sizeof（char）*num）;
}
voidTest2（void）
{
char*str=NULL;
GetMemory2（&str,100）;//注意参数是&str，而不是str
strcpy（str,"hello"）;
cout<free（str）;
}
示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存
由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们可以用函数返回值来传递动态内存。
这种方法更加简单，见示例7-4-3。
char*GetMemory3（intnum）
{
char*p=（char*）malloc（sizeof（char）*num）;
returnp;
}
voidTest3（void）
{
char*str=NULL;
str=GetMemory3（100）;
strcpy（str,"hello"）;
cout<free（str）;
}
示例7-4-3用函数返回值来传递动态内存
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，见示例7-4-4。
char*GetString（void）
{
charp[]="helloworld";
returnp;//编译器将提出警告
}
voidTest4（void）
{
char*str=NULL;
str=GetString（）;//str的内容是垃圾
cout<}
示例7-4-4return语句返回指向“栈内存”的指针
用调试器逐步跟踪Test4，发现执行str=GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“helloworld”而是垃圾。
如果把示例7-4-4改写成示例7-4-5，会怎么样？
char*GetString2（void）
{
char*p="helloworld";
returnp;
}
voidTest5（void）
{
char*str=NULL;
str=GetString2（）;
cout<}
示例7-4-5return语句返回常量字符串
函数Test5运行虽然不会出错，但是函数GetString2的设计概念却是错误的。
因为GetString2内的“helloworld”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内恒定不变。
无论什么时候调用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。
7.5free和delete把指针怎么啦？
7.7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：
（1）指针变量没有被初始化。
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当被初始化，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（100）;
（2）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。
参见7.5节。
（3）指针操作超越了变量的作用范围。
这种情况让人防不胜防，示例程序如下：
classA
{
public:
voidFunc（void）{cout<<“FuncofclassA”<};
voidTest（void）
{
A*p;
{
Aa;
p=&a;//注意a的生命期
}
p->Func（）;//p是“野指针”
}
函数Test在执行语句p->Func（）时，对象a已经消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指针”。
但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错，这可能与编译器有关。
7.8有了malloc/free为什么还要new/delete？
malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。
它们都可用于申请动态内存和释放内存。
对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。
对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。
由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。
注意new/delete不是库函数。
我们先看一看malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理，见示例7-8。
classObj
{
public:
Obj（void）{cout<<“Initialization”<~Obj（void）{cout<<“Destroy”<voidInitialize（void）{cout<<“Initialization”<voidDestroy（void）{cout<<“Destroy”<};
voidUseMallocFree（void）
{
Obj*a=（obj*）malloc（sizeof（obj））;//申请动态内存
a->Initialize（）;//初始化
/
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