c語言之記憶體使用
c 記憶體分配
1、程式程式碼區:存放函式體的二進位制程式碼。
2、全域性區資料區：全域性資料區劃分為三個區域。
全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的。初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域，未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。常量資料存放在另一個區域裡。這些資料在程式結束後由系統釋放。我們所說的BSS段(bss segment)通常是指用來存放程式中未初始化的全域性變數的一塊記憶體區域。BSS是英文Block Started by Symbol的簡稱。
3、棧區:由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。
4、堆區:一般由程式設計師分配釋放，若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列，呵呵。
5、命令列引數區:存放命令列引數和環境變數的值。
關於區域性的字串常量是存放在全域性的常量區還是棧區，不同的編譯器有不同的實現。可以通過組合語言察看一下。不過vc環境下,區域性常量就像區域性變數一樣儲存於棧中，全域性常量、字元常量儲存於文字常量區。TC在常量區。
例子：
int a = 0; //靜態儲存區（初始化區域）
char *p1; //靜態儲存區（未初始化區域）
void example()
{
int b; //棧
char s[] = “abc”; //
char *p2; //棧
static int c =0; //靜態儲存區（初始化區域）
//分配得來的10和20位元組的區域就在堆上
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
}
在嵌入式系統中有ROM和RAM兩類記憶體，程式被固化進ROM，變數和堆疊設在RAM中，用const定義的常量也會被放入ROM。
注：用const定義常量可以節省空間，避免不必要的記憶體分配。
#define PI 3.14159//常量巨集
const double g_pi = 3.14159;//此時並未將g_pi放入ROM中
......
double a = g_pi;
double b = PI;//編譯期間進行巨集替換，分配記憶體
double c = g_pi;//沒有記憶體分配
double d = PI;//再進行巨集替換，又一次分配記憶體！
在linux下:可以通過引數-c來編譯生成彙編檔案。如： gcc -c *.c
gcc *.o -Map test.txt -o test.elf
用文字編輯器檢視test.txt檔案，你就看到那些bss段,data段,text段等資訊了，但是沒有堆疊段相關資訊，用objdump命令檢視.o檔案的反彙編後的資訊，或者用gcc -S *.c，檢視各個.S檔案就明白了。
文章二、記憶體的規劃種類
1）常規內（Conventional Memory）在記憶體分配表中佔用最前面的位置，從0KB到640KB（地址000000H～109FFFFH），共佔640KB的容量。因為它在記憶體的最前面並且在DOS可管理的記憶體區，我們又稱之為Low Dos Memory（低DOS記憶體），或稱為基本記憶體（Base Memory），使用此空間的程式有BIOS、DOS作業系統、外圍裝置的驅動程式、中斷向量表、一些常駐的程式、空閒可用的記憶體空間、以及一般的應用軟體都可在此空間執行。
2）高位記憶體（UM）是英文Upper Memory的縮寫，是常規記憶體上面的一層記憶體（640KB～1024KB）。 3）高階記憶體區（HMA）是英文High
Memory Area的縮寫。它是1024KB至1088KB之間的64KB記憶體，管為高階記憶體區，其地址為100000H～10FFEFH或以上，CPU在實地址模式下以Segment:OFFSET(段地址：偏移量)方式來定址，其定址的最大邏輯記憶體空間為（FFFF：FFFF），即10FFEFH。
4）EMB是英文Extended Memory Block（擴充套件記憶體塊）的縮寫，早期採用的擴充儲存器（EPM）必須遵循EMS規範(如使用EMM386.exe)，後來使用的擴充套件儲存器（EXM）必須遵循XMS規範（如使用Himem.sys）。擴充套件記憶體是指1MB以上的記憶體空間，其地址是從100000H開始，連續不斷向上擴充套件的記憶體，擴充套件記憶體取決於CPU的定址能力。
1、記憶體分配方式
記憶體分配方式有三種：
（1）從靜態儲存區域分配。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個執行期間都存在。例如全域性變數，static變數。
（2）在棧上建立。在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。
（3） 從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在執行的時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式設計師自己負責在何時用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。
2、常見的記憶體錯誤及其對策
發生記憶體錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤，通常是在程式執行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的症狀，時隱時現，增加了改錯的難度。有時使用者怒氣衝衝地把你找來，程式卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。 常見的記憶體錯誤及其對策如下：
* 記憶體分配未成功，卻使用了它。
程式設計新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到記憶體分配會不成功。常用解決辦法是，在使用記憶體之前檢查指標是否為NULL。如果指標p是函式的引數，那麼在函式的入口處用assert(p!=NULL)進行檢查。如果是用malloc或new來申請記憶體，應該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進行防錯處理。
* 記憶體分配雖然成功，但是尚未初始化就引用它。
犯這種錯誤主要有兩個起因：
一是沒有初始化的觀念；
二是誤以為記憶體的預設初值全為零，導致引用初值錯誤（例如陣列）。記憶體的預設初值究竟是什麼並沒有統一的標準，儘管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式建立陣列，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。
* 記憶體分配成功並且已經初始化，但操作越過了記憶體的邊界。
例如在使用陣列時經常發生下標“多1”或者“少1”的操作。特別是在for迴圈語句中，迴圈次數很容易搞錯，導致陣列操作越界。
* 忘記了釋放記憶體，造成記憶體洩露。
含有這種錯誤的函式每被呼叫一次就丟失一塊記憶體。剛開始時系統的記憶體充足，你看不到錯誤。終有一次程式突然死掉，系統出現提示：記憶體耗盡。
動態記憶體的申請與釋放必須配對，程式中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。
* 釋放了記憶體卻繼續使用它。
有三種情況：
（1）程式中的物件呼叫關係過於複雜，實在難以搞清楚某個物件究竟是否已經釋放了記憶體，此時應該重新設計資料結構，從根本上解決物件管理的混亂局面。
（2）函式的return語句寫錯了，注意不要返回指向“棧記憶體”的“指標”或者“引用”，因為該記憶體在函式體結束時被自動銷燬。
（3）使用free或delete釋放了記憶體後，沒有將指標設定為NULL。導致產生“野指標”。
【規則1】用malloc或new申請記憶體之後，應該立即檢查指標值是否為NULL。防止使用指標值為NULL的記憶體。
【規則2】不要忘記為陣列和動態記憶體賦初值。防止將未被初始化的記憶體作為右值使用。
【規則3】避免陣列或指標的下標越界，特別要當心發生“多1”或者“少1”操作。
【規則4】動態記憶體的申請與釋放必須配對，防止記憶體洩漏。
【規則5】用free或delete釋放了記憶體之後，立即將指標設定為NULL，防止產生“野指標”。
3、指標與陣列的對比
C /C程式中，指標和陣列在不少地方可以相互替換著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。
陣列要麼在靜態儲存區被建立（如全域性陣列），要麼在棧上被建立。陣列名對應著（而不是指向）一塊記憶體，其地址與容量在生命期內保持不變，只有陣列的內容可以改變。
指標可以隨時指向任意型別的記憶體塊，它的特徵是“可變”，所以我們常用指標來操作動態記憶體。指標遠比陣列靈活，但也更危險。
下面以字串為例比較指標與陣列的特性。
3.1 修改內容
示例3-1中，字元陣列a的容量是6個字元，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’。指標p指向常量字串“world”（位於靜態儲存區，內容為world），常量字串的內容是不可以被修改的。從語法上看，編譯器並不覺得語句 p[0]= ‘X’有什麼不妥，但是該語句企圖修改常量字串的內容而導致執行錯誤。
- char a[] = “hello”;
- a[0] = ‘X’;
- cout << a << endl;
- char *p = “world”; // 注意p指向常量字串
- p[0] = ‘X’; // 編譯器不能發現該錯誤
- cout << p << endl;
3.2 內容複製與比較
不能對陣列名進行直接複製與比較。示例7-3-2中，若想把陣列a的內容複製給陣列b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函式strcpy進行復制。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函式strcmp進行比較。
語句p = a 並不能把a的內容複製指標p，而是把a的地址賦給了p。要想複製a的內容，可以先用庫函式malloc為p申請一塊容量為strlen(a) 1個字元的記憶體，再用strcpy進行字串複製。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址，應該用庫函式strcmp來比較。
- // 陣列…
- char a[] = "hello";
- char b[10];
- strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
- if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)
- …
- // 指標…
- int len = 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)
- …
3.3 計算記憶體容量
用運算子sizeof可以計算出陣列的容量（位元組數）。示例7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’’）。指標p指向a，但是 sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指標變數的位元組數，相當於sizeof(char*)，而不是p所指的記憶體容量。 C /C語言沒有辦法知道指標所指的記憶體容量，除非在申請記憶體時記住它。
注意當陣列作為函式的引數進行傳遞時，該陣列自動退化為同類型的指標。示例7-3-3（b）中，不論陣列a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。
- char a[] = "hello world";
- char *p = a;
- cout<< sizeof(a) << endl; // 12位元組
- cout<< sizeof(p) << endl; // 4位元組
- void Func(char a[100])
- {
- cout<< sizeof(a) << endl; // 4位元組而不是100位元組
- }
4、指標引數是如何傳遞記憶體的？
如果函式的引數是一個指標，不要指望用該指標去申請動態記憶體。示例7-4-1中，Test函式的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的記憶體，str依舊是NULL，為什麼？
- void GetMemory(char *p, int num)
- {
- p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
- }
- void Test(void)
- {
- char *str = NULL;
- GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL
- strcpy(str, "hello"); // 執行錯誤
- }
毛病出在函式GetMemory中。編譯器總是要為函式的每個引數製作臨時副本，指標引數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函式體內的程式修改了_p的內容，就導致引數p的內容作相應的修改。這就是指標可以用作輸出引數的原因。在本例中，_p申請了新的記憶體，只是把 _p所指的記憶體地址改變了，但是p絲毫未變。所以函式GetMemory並不能輸出任何東西。事實上，每執行一次GetMemory就會洩露一塊記憶體，因為沒有用free釋放記憶體。
如果非得要用指標引數去申請記憶體，那麼應該改用“指向指標的指標”，見示例4.2。
- void GetMemory2(char **p, int num)
- {
- *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
- }
- void Test2(void)
- {
- char *str = NULL;
- GetMemory2(&str, 100); // 注意引數是 &str，而不是str
- strcpy(str, "hello");
- cout<< str << endl;
- free(str);
- }
由於“指向指標的指標”這個概念不容易理解，我們可以用函式返回值來傳遞動態記憶體。這種方法更加簡單，見示例4.3。
- char *GetMemory3(int num)
- {
- char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
- return p;
- }
- void Test3(void)
- {
- char *str = NULL;
- str = GetMemory3(100);
- strcpy(str, "hello");
- cout<< str << endl;
- free(str);
- }
用函式返回值來傳遞動態記憶體這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這裡強調不要用return語句返回指向“棧記憶體”的指標，因為該記憶體在函式結束時自動消亡，見示例4.4。
- char *GetString(void)
- {
- char p[] = "hello world";
- return p; // 編譯器將提出警告
- }
- void Test4(void)
- {
- char *str = NULL;
- str = GetString(); // str 的內容是垃圾
- cout<< str << endl;
- }
用偵錯程式逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指標，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。
如果把示例4.4改寫成示例4.5，會怎麼樣？
- char *GetString2(void)
- {
- char *p = "hello world";
- return p;
- }
- void Test5(void)
- {
- char *str = NULL;
- str = GetString2();
- cout<< str << endl;
- }
函式Test5執行雖然不會出錯，但是函式GetString2的設計概念卻是錯誤的。因為GetString2內的“hello world”是常量字串，位於靜態儲存區，它在程式生命期內恆定不變。無論什麼時候呼叫GetString2，它返回的始終是同一個“只讀”的記憶體塊。
5、杜絕“野指標”
“野指標”不是NULL指標，是指向“垃圾”記憶體的指標。人們一般不會錯用NULL指標，因為用if語句很容易判斷。但是“野指標”是很危險的，if語句對它不起作用。 “野指標”的成因主要有兩種：
（1）指標變數沒有被初始化。任何指標變數剛被建立時不會自動成為NULL指標，它的預設值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指標變數在建立的同時應當被初始化，要麼將指標設定為NULL，要麼讓它指向合法的記憶體。例如
- char *p = NULL;
- char *str = (char *) malloc(100);
（3）指標操作超越了變數的作用範圍。這種情況讓人防不勝防，示例程式如下：
- class A
- {
- public:
- void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
- };
- void Test(void)
- {
- A *p;
- {
- A a;
- p = &a; // 注意 a 的生命期
- }
- p->Func(); // p是“野指標”
- }
6、有了malloc/free為什麼還要new/delete？
malloc與free是C /C語言的標準庫函式，new/delete是C 的運算子。它們都可用於申請動態記憶體和釋放記憶體。
對於非內部資料型別的物件而言，光用maloc/free無法滿足動態物件的要求。物件在建立的同時要自動執行建構函式，物件在消亡之前要自動執行解構函式。由於malloc/free是庫函式而不是運算子，不在編譯器控制權限之內，不能夠把執行建構函式和解構函式的任務強加於malloc/free。
因此C 語言需要一個能完成動態記憶體分配和初始化工作的運算子new，以及一個能完成清理與釋放記憶體工作的運算子delete。注意new/delete不是庫函式。我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現物件的動態記憶體管理，見示例6。
- class Obj
- {
- public :
- Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
- ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
- void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
- void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
- };
- void UseMallocFree(void)
- {
- Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申請動態記憶體
- a->Initialize(); // 初始化
- //…
- a->Destroy(); // 清除工作
- free(a); // 釋放記憶體
- }
- void UseNewDelete(void)
- {
- Obj *a = new Obj; // 申請動態記憶體並且初始化
- //…
- delete a; // 清除並且釋放記憶體
- }
類Obj的函式Initialize模擬了建構函式的功能，函式Destroy模擬了解構函式的功能。函式UseMallocFree中，由於 malloc/free不能執行建構函式與解構函式，必須呼叫成員函式Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函式 UseNewDelete則簡單得多。
所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態物件的記憶體管理，應該用new/delete。由於內部資料型別的“物件”沒有構造與析構的過程，對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。
既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free，為什麼C 不把malloc/free淘汰出局呢？這是因為C 程式經常要呼叫C函式，而C程式只能用malloc/free管理動態記憶體。
如果用free釋放“new建立的動態物件”，那麼該物件因無法執行解構函式而可能導致程式出錯。如果用delete釋放“malloc申請的動態記憶體 ”，理論上講程式不會出錯，但是該程式的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用，malloc/free也一樣。
7、記憶體耗盡怎麼辦？
如果在申請動態記憶體時找不到足夠大的記憶體塊，malloc和new將返回NULL指標，宣告記憶體申請失敗。通常有三種方式處理“記憶體耗盡”問題。
（1）判斷指標是否為NULL，如果是則馬上用return語句終止本函式。例如：
- void Func(void)
- {
- A *a = new A;
- if(a == NULL)
- {
- return;
- }
- …
- }
- void Func(void)
- {
- A *a = new A;
- if(a == NULL)
- {
- cout << “Memory Exhausted” << endl;
- exit(1);
- }
- …
- }
上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一個函式內有多處需要申請動態記憶體，那麼方式（1）就顯得力不從心（釋放記憶體很麻煩），應該用方式（2）來處理。
很多人不忍心用exit(1)，問：“不編寫出錯處理程式，讓作業系統自己解決行不行？”
不行。如果發生“記憶體耗盡”這樣的事情，一般說來應用程式已經無藥可救。如果不用exit(1) 把壞程式殺死，它可能會害死作業系統。道理如同：如果不把歹徒擊斃，歹徒在老死之前會犯下更多的罪。
有一個很重要的現象要告訴大家。對於32位以上的應用程式而言，無論怎樣使用malloc與new，幾乎不可能導致“記憶體耗盡”。我在Windows 98下用Visual C 編寫了測試程式，見示例7。這個程式會無休止地執行下去，根本不會終止。因為32位作業系統支援“虛存”，記憶體用完了，自動用硬碟空間頂替。我只聽到硬碟嘎吱嘎吱地響，Window 98已經累得對鍵盤、滑鼠毫無反應。
我可以得出這麼一個結論：對於32位以上的應用程式，“記憶體耗盡”錯誤處理程式毫無用處。這下可把Unix和Windows程式設計師們樂壞了：反正錯誤處理程式不起作用，我就不寫了，省了很多麻煩。
我不想誤導讀者，必須強調：不加錯誤處理將導致程式的質量很差，千萬不可因小失大。
- void main(void)
- {
- float *p = NULL;
- while(TRUE)
- {
- p = new float[1000000];
- cout << “eat memory” << endl;
- if(p==NULL)
- exit(1);
- }
- }
8、malloc/free 的使用要點
函式malloc的原型如下：
- void * malloc(size_t size);
- int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
* malloc返回值的型別是void *，所以在呼叫malloc時要顯式地進行型別轉換，將void * 轉換成所需要的指標型別。
* malloc函式本身並不識別要申請的記憶體是什麼型別，它只關心記憶體的總位元組數。我們通常記不住int, float等資料型別的變數的確切位元組數。例如int變數在16位系統下是2個位元組，在32位下是4個位元組；而float變數在16位系統下是4個位元組，在32位下也是4個位元組。最好用以下程式作一次測試：
- cout << sizeof(char) << endl;
- cout << sizeof(int) << endl;
- cout << sizeof(unsigned int) << endl;
- cout << sizeof(long) << endl;
- cout << sizeof(unsigned long) << endl;
- cout << sizeof(float) << endl;
- cout << sizeof(double) << endl;
- cout << sizeof(void *) << endl;
* 函式free的原型如下：
- void free( void * memblock );
9、new/delete 的使用要點
運算子new使用起來要比函式malloc簡單得多，例如：
- int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
- int *p2 = new int[length];
- class Obj
- {
- public :
- Obj(void); // 無引數的建構函式
- Obj(int x); // 帶一個引數的建構函式
- …
- }
- void Test(void)
- {
- Obj *a = new Obj;
- Obj *b = new Obj(1); // 初值為1
- …
- delete a;
- delete b;
- }
- Obj *objects = new Obj[100]; // 建立100個動態物件
- Obj *objects = new Obj[100](1);// 建立100個動態物件的同時賦初值1
- delete []objects; // 正確的用法
- delete objects; // 錯誤的用法
10、一些心得體會
我認識不少技術不錯的C /C程式設計師，很少有人能拍拍胸脯說通曉指標與記憶體管理（包括我自己）。我最初學習C語言時特別怕指標，導致我開發第一個應用軟體（約1萬行C程式碼）時沒有使用一個指標，全用陣列來頂替指標，實在蠢笨得過分。躲避指標不是辦法，後來我改寫了這個軟體，程式碼量縮小到原先的一半。
我的經驗教訓是：
（1）越是怕指標，就越要使用指標。不會正確使用指標，肯定算不上是合格的程式設計師。
（2）必須養成“使用偵錯程式逐步跟蹤程式”的習慣，只有這樣才能發現問題的本質。