【C语言练习】C语言如何操作内存(重中之重!!!)

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文章目录

  • 内存操作方式
    • 用指针来间接访问内存
    • 用数组来管理内存
    • 内存管理之栈(stack)
    • 内存管理之堆


C语言对内存地址的封装(用变量名来访问内存、数据类型的含义、函数名的含义)
int a; a = 5; a += 4; // a == 9;
结合内存来解析C语言语句的本质:
int a; // 编译器帮我们申请了1个int类型的内存格子(长度是4字节,地址是确定的,但是只有编译器知道,我们是不知道的,也不需要知道。),并且把符号a和这个格子绑定。
a = 5; // 编译器发现我们要给a赋值,就会把这个值5丢到符号a绑定的那个内存格子中。
a += 4; // 编译器发现我们要给a加值,a += 4 等效于 a = a + 4;编译器会先把a原来的值读出来,然后给这个值加4,再把加之后的和写入a里面去。

内存操作方式

用指针来间接访问内存

关于类型(不管是普通变量类型int float等,还是指针类型int * float *等),只要记住:
类型只是对后面数字或者符号(代表的是内存地址)所表征的内存的一种长度规定和解析方法规定而已。
C语言中的指针,全名叫指针变量,指针变量其实很普通变量没有任何区别。譬如int a和int *p其实没有任何区别,a和p都代表一个内存地址(譬如是0x20000000),但是这个内存地址(0x20000000)的长度和解析方法不同。a是int型所以a的长度是4字节,解析方法是按照int的规定来的;p是int *类型,所以长度是4字节,解析方法是int *的规定来的(0x20000000开头的连续4字节中存储了1个地址,这个地址所代表的内存单元中存放的是一个int类型的数)。

用数组来管理内存

数组管理内存和变量其实没有本质区别,只是符号的解析方法不同。(普通变量、数组、指针变量其实都没有本质差别,都是对内存地址的解析,只是解析方法不一样)。
int a;//编译器分配4字节长度给a,并且把首地址和符号a绑定起来。
int b[10]; //编译器分配40个字节长度给b,并且把首元素首地址和符号b绑定起来。
数组中第一个元素(a[0])就称为首元素;每一个元素类型都是int,所以长度都是4,其中第一个字节的地址就称为首地址;首元素a[0]的首地址就称为首元素首地址。

内存管理之栈(stack)

什么是栈?栈是一种数据结构,C语言中使用栈来保存局部变量。栈是被发明出来管理内存的。
栈管理内存的特点(小内存、自动化)
先进后出 FILO first in last out 栈 (笔试考,记住FILO的含义)
先进先出 FIFO first in first out 队列
栈的特点是入口即出口,只有一个口,另一个口是堵死的。所以先进去的必须后出来。弹匣原理。
队列的特点是入口和出口都有,必须从入口进去,从出口出来,所以先进去的必须先出来,否则就堵住后面的。
栈的约束(预定栈大小不灵活,怕溢出)
首先,栈是有大小的。所以栈内存大小不好设置。如果太小怕溢出,太大怕浪费内存。(这个缺点有点像数组)
其次,栈的溢出危害很大,一定要避免。所以我们在C语言中定义局部变量时不能定义太多或者太大(譬如不能定义局部变量时 int a[10000]; 使用递归来解决问题时一定要注意递归收敛)

内存管理之堆

什么是堆?堆(heap)是一种内存管理方式。内存管理对操作系统来说是一件非常复杂的事情,因为首先内存容量很大,其次内存需求在时间和大小块上没有规律(操作系统上运行着的几十、几百、几千个进程随时都会申请或者释放内存,申请或者释放的内存块大小随意)。
堆这种内存管理方式特点就是自由(随时申请、释放;大小块随意)。堆内存是操作系统划归给堆管理器(操作系统中的一段代码,属于操作系统的内存管理单元)来管理的,然后向使用者(用户进程)提供API(malloc函数和free函数)来使用堆内存。

什么时候使用堆内存?需要内存容量比较大时,需要反复使用及释放时,很多数据结构(譬如链表)的实现都要使用堆内存。
堆管理内存的特点(大块内存、手工分配&使用&释放)
特点一:容量不限(常规使用的需求容量都能满足)。
特点二:申请及释放都需要手工进行,手工进行的含义就是需要程序员写代码明确进行申请malloc及释放free。如果程序员申请内存并使用后未释放,这段内存就丢失了(在堆管理器的记录中,这段内存仍然属于你这个进程,但是进程自己又以为这段内存已经不用了,再用的时候又会去申请新的内存块,这就叫吃内存),称为内存泄漏。在C/C++语言中,内存泄漏是最严重的程序bug,这也是别人认为Java/C#等语言比C/C++优秀的地方。

C语言操作堆内存的接口(malloc和free)
堆内存释放时最简单,直接调用free释放即可。void free(void *ptr);
堆内存申请时,有3个可选择的类似功能的函数:malloc, calloc, realloc
void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nmemb, size_t size); // nmemb个单元,每个单元size字节
void *realloc(void *ptr, size_t size);//改变原来申请的空间的大小的

譬如要申请10个int元素的内存:
malloc(40); malloc(10*sizeof(int));
calloc(10, 4); calloc(10, sizeof(int));
数组定义时必须同时给出数组元素个数(数组大小),而且一旦定义再无法更改。在Java等高级语言中,有一些语法技巧可以更改数组大小,但其实这只是一种障眼法。它的工作原理是:先重新创建一个新的数组大小为要更改后的数组,然后将原数组的所有元素复制进新的数组,然后释放掉原数组,最后返回新的数组给用户;

堆内存申请时必须给定大小,然后一旦申请完成大小不变,如果要变只能通过realloc接口。realloc的实现原理类似于上面说的Java中的可变大小的数组的方式。
堆的优势和劣势(管理大块内存、灵活、容易内存泄漏)
优势:灵活;
劣势:需要程序员去处理各种细节,所以容易出错,严重依赖于程序员的水平。

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