C语言内存管理讲解
谨记
人生有两条路，一天需要用心走，叫做梦想；一条需要用脚走，叫做现实。心走的太快，会迷路的；脚走的太快，会摔倒的；心走的太慢，现实会苍白；脚走的太慢，梦不会高飞。人生的精彩，是心走得好，脚步刚好能跟上。掌控好你的心，让它走正；加快你的步伐，让所有梦想生出美丽的翅膀。
前言
今天为大家带来的是C语言里面的内存管理的知识点，这篇文章过后，我们C语言的大体基本知识就已经介绍完了，那么下一篇文章开始，我讲讲解OC语法，也就是苹果公司推出的Objective-C语言，这是苹果应用开发的语言，也欢迎大家阅读，本篇文章是对C语言内存管理的一个讲解，内存的使用是程序设计中需要考虑的重要因素之一，这不仅由于系统内存是有限的（尤其在嵌入式系统中），而且内存分配也会直接影响到程序的效率。因此，读者要对C语言中的内存管理，有个系统的了解。
内存管理
在C语言中，定义了4个内存区间：代码区；全局变量与静态变量区；局部变量区即栈区；动态存储区，即堆区。下面分别对这4个区进行介绍。
① 代码区。代码区中主要存放程序中的代码，属性是只读的。
② 全局变量与静态变量区。也称为静态存储区域。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、静态变量和字符串常量。分配在这个区域中的变量，当程序结束时，才释放内存。因此，经常利用这样的变量，在函数间传递信息。
③ 栈区。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。在linux系统中，通过命令“ulimit –s”，可以看到，栈的容量为8192kbytes，即8M。
这种内存方式，变量内存的分配和释放都自动进行，程序员不需要考虑内存管理的问题，很方便使用。但缺点是，栈的容量有限制，且当相应的范围结束时，局部变量就不能在使用。
④ 堆区。有些操作对象只有在程序运行时才能确定，这样编译器在编译时就无法为他们预先分配空间，只能在程序运行时分配，所以称为动态分配。
比如：下面的结构体定义：
struct employee
{
char name[8];
int age;
char gender;
float salary;
};
在该结构体定义中，员工的姓名是用字符数组来存储。若员工的姓名由用户输入，则只有在用户输入结束后，才能精确的知道，需要多少内存，在这种情况下，使用动态内存分配更合乎逻辑，应该把结构体的定义改成下面的形式：
struct employee
{
char *name;
int age;
char gender;
float salary;
};
动态分配内存就是在堆区上分配。程序在运行的时候用malloc申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free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。
下面的这段程序说明了不同类型的内存分配。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
/*C语言中数据的内存分配*/
int a = 0;
char *p1;
int main()
{
int b; /* b在栈 */
char s[] = "abc"; /* s在栈， "abc"在常量区 */
char *p2; /* p2在栈 */
char *p3 = "123456"; /*"123456"在常量区，p3在栈*/
static int c =0; /*可读可写数据段*/
p1 = (char *)malloc(10); /*分配得来的10个字节的区域在堆区*/
p2 = (char *)malloc(20); /*分配得来的20个字节的区域在堆区*/
/* 从常量区的“Hello World”字符串复制到刚分配到的堆区 */
strcpy(p1, “Hello World");
return 0;
}
动态内存的申请和分配
当程序运行到需要一个动态分配的变量时，必须向系统申请取得堆中的一块所需大小的存储空间，用于存储该变量。当不再使用该变量时，也就是它的生命结束时，要显式释放它所占用的存储空间，这样系统就能对该堆空间进行再次分配，做到重复使用有限的资源。下面将介绍动态内存申请和释放的函数。
malloc函数
在C语言中，使用malloc函数来申请内存。函数原型如下：
#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
其中，参数size代表需要动态申请的内存的字节数。若内存申请成功，函数返回申请到的内存的起始地址，若申请失败，返回NULL。使用该函数时，有下面几点要注意：
（1）只关心申请内存的大小。该函数的参数，很简单，只有申请内存的大小，单位是字节。
（2）申请的是一块连续的内存。该函数一定是申请一块连续的区间，可能申请到的内存比实际申请的大。也可能申请不到，若申请失败，返回NULL。读者，一定记得写出错判断。
（3）返回值类型是void *。函数的返回值是void *，不是某种具体类型的指针。读者可以理解成，该函数只是申请内存，对在内存中存储什么类型的数据，没有要求。因此，返回值是void *。在实际编程中，根据实际情况，将void * 转换成所需要的指针类型。
（4）显示初始化。注意，堆区是不会自动在分配时做初始化的（包括清零），所以程序中需要显式的初始化。
free函数
在堆区上分配的内存，需要用free函数显示释放。函数原型如下：
#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);
函数的参数ptr，指的是需要释放的内存的起始地址。该函数没有返回值。使用该函数，也有下面几点需要注意：
（1）必须提供内存的起始地址。调用该函数时，必须提供内存的起始地址，不能提供部分地址，释放内存中的一部分是不允许的。因此，必须保存好malloc返回的指针值，若丢失，则所分配的堆空间无法回收，称内存泄漏。
（2）malloc和free配对使用。编译器不负责动态内存的释放，需要程序员显示释放。因此，malloc与free是配对使用的，避免内存泄漏。
示例代码
#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;
}
输出结果：
input n:10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Program ended with exit code: 0
说明：该程序演示了动态内存的标准用法。动态内存的申请，通过一个指针函数来完成。内存申请时，判断是否申请成功，成功后，对内存初始化。在主调函数中，动态内存依然可以访问，不再访问内存时，用free函数释放。
3）不允许重复释放。同一空间的重复释放也是危险的，因为该空间可能已另分配。在上面程序中，如果释放堆空间两次（连续调用两次free(p)），会出现崩溃，控制台打印很多内存指令。
（4）free只能释放堆空间。像代码区、全局变量与静态变量区、栈区上的变量，都不需要程序员显示释放，这些区域上的空间，不能通过free函数来释放，否则执行时，会出错。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a[10] = {0};
free(a);
return 0;
}
输出结果：
内存管理(1624,0x10007f000) malloc: *** error for object 0x7fff5fbff820: pointer being freed was not allocated
*** set a breakpoint in malloc_error_break to debug
这里程序运行后会报错，直接会崩溃，这里读者自己去尝试一下。
野指针
提到野指针，前面我们说指针的时候，都已经提过了，这里就简单的在提一下。
野指针指的是指向“垃圾”内存的指针，不是NULL指针。出现“野指针”主要有以下原因：
（1）指针变量没有被初始化。指针变量和其它的变量一样，若没有初始化，值是不确定的。也就是说，没有初始化的指针，指向的是垃圾内存，非常危险。
#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）指针p被free之后，没有置为NULL。free函数是把指针所指向的内存释放掉，使内存成为了自由内存。但是，该函数并没有把指针本身的内容清楚。指针仍指向已经释放的动态内存，这是很危险。
程序员稍有疏忽，会误以为是个合法的指针。就有可能再通过指针去访问动态内存。实际上，这时的内存已经是垃圾内存了。
关于野指针会造成什么样的后果，这是很难估计的。若内存仍然是空闲的，可能程序暂时正常运行；若内存被再次分配，又通过野指针对内存进行了写操作，则原有的合法数据，会被覆盖，这时，野指针造成的影响将是无法估计的。
#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;
}
说明：该程序中，故意在执行了“free(p)”之后，通过野指针p对动态内存进行了读写，程序正常执行，也在预料之中。前面已经分析过，内存释放后，若继续访问甚至修改，后果是不可预料的。
（3）指针操作超越了变量的作用范围。指针操作时，由于逻辑上的错误，导致指针访问了非法内存，这种情况让人防不胜防，只能依靠程序员好的编码风格，已及扎实的基本功。
#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;
}
说明：该程序故意出了两个错误，一是for循环的条件“i <= n”，p指针指向了数组以外的空间。二是“*p = 100”，对非法内存进行了写操作。
（4）不要返回指向栈内存的指针。在函数中，详细介绍了指针函数，指针函数会返回一个指针。在主调函数中，往往会通过返回的指针，继续访问指向的内存。因此，指针函数不能返回栈内存的起始地址，因为栈内存在函数结束时会被释放。
堆和栈的区别
1．申请方式
栈（stack）是由系统自动分配的。例如，声明函数中一个局部变量“int b;”，那么系统自动在栈中为b开辟空间。堆（heap）需要程序员自己申请，并在申请时指定大小。使用C语言中的malloc函数的例子如下所示。
p1 = (char *)malloc(10);
2．申请后系统的响应
堆在操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当系统收到程序的申请时，系统就会开始遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节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，代码中的删除语句才能正确地释放本内存空间。如果找到的堆节点的大小与申请的大小不相同，系统会自动地将多余的那部分重新放入空闲链表中。
只有栈的剩余空间大于所申请空间，系统才为程序提供内存，否则将报异常，提示栈溢出。
3．申请大小的限制
堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统用链表来存储的空闲内存地址，地址是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存，因此堆获得的空间比较灵活，也比较大。
栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。因此，栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示栈溢出，因此，能从栈获得的空间较小。
4．申请速度的限制
堆是由malloc等语句分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来很方便。栈由系统自动分配，速度较快，但程序员一般无法控制。
5．堆和栈中的存储内容
堆一般在堆的头部用一个字节存放堆的大小，堆中的具体内容由程序员安排。
在调用函数时，第一个进栈的是函数调用语句的下一条可执行语句的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C语言编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。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的存储地址，也就是调用该函数处的下一条指令，程序由该点继续运行。
C语言关键字
C语言关键字volatile
C语言关键字volatile（注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的volatile）表明某个变量的值可能随时被外部改变（例如，外设端口寄存器值），因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器，每次使用时需要重新读取。
该关键字在多线程环境下经常使用，因为在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序通过该变量同步各个线程。对于C语言编译器来说，它并不知道这个值会被其他线程修改，自然就把它缓存到寄存器里面。volatile的本意是指这个值可能会在当前线程外部被改变，此时编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取。这个关键字在外设接口编程中经常被使用。
总结
本篇文章简单的介绍C语言中的内存管理，希望读者掌握。
结尾
希望读者真诚的对待每一件事情，每天都能学到新的知识点，要记住，认识短暂，开心也是过一天，不开心也是一天，无所事事也是一天，小小收获也是一天，欢迎收藏和点赞、喜欢。最后送读者一句话：你的路你自己选择。
