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一.变量和内存分布

1.课程要求

2.技术层次

3.C语言标准

1.3.1 K&R C

起初，C语言没有官方标准。1978年由美国电话电报公司(AT&T）贝尔实验室正式发表了C语言。布莱恩·柯林汉（Brian Kernighan）和丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）出版了一本书，名叫《The C Programming Language》。这本书被 C语言开发者们称为K&R，很多年来被当作 C语言的非正式的标准说明。人们称这个版本的 C语言为K&R C。

K&R C主要介绍了以下特色：结构体（struct）类型；长整数（long int）类型；无符号整数（unsigned int）类型；把运算符=+和=-改为+=和-=。因为=+和=-会使得编译器不知道使用者要处理i = -10还是i =- 10，使得处理上产生混淆。

即使在后来ANSI C标准被提出的许多年后，K&R C仍然是许多编译器的最准要求，许多老旧的编译器仍然运行K&R C的标准。

1.3.2 ANSI C/C89标准

1970到80年代，C语言被广泛应用，从大型主机到小型微机，也衍生了C语言的很多不同版本。1983年，美国国家标准协会（ANSI）成立了一个委员会X3J11，来制定 C语言标准。

1989年，美国国家标准协会（ANSI）通过了C语言标准，被称为ANSI X3.159-1989 "Programming Language C"。因为这个标准是1989年通过的，所以一般简称C89标准。有些人也简称ANSI C，因为这个标准是美国国家标准协会（ANSI）发布的。

1990年，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）把C89标准定为C语言的国际标准，命名为ISO/IEC 9899:1990 - Programming languages -- C[5] 。因为此标准是在1990年发布的，所以有些人把简称作C90标准。不过大多数人依然称之为C89标准，因为此标准与ANSI C89标准完全等同。

1994年，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）发布了C89标准修订版，名叫ISO/IEC 9899:1990/Cor 1:1994[6] ，有些人简称为C94标准。

1995年，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）再次发布了C89标准修订版，名叫ISO/IEC 9899:1990/Amd 1:1995 - C Integrity[7] ，有些人简称为C95标准。

4.数据类型概念

3.1.1 数据类型概念

什么是数据类型？为什么需要数据类型?

数据类型是为了更好进行内存的管理,让编译器能确定分配多少内存。

我们现实生活中，狗是狗，鸟是鸟等等，每一种事物都有自己的类型，那么程序中使用数据类型也是来源于生活。

当我们给狗分配内存的时候，也就相当于给狗建造狗窝，给鸟分配内存的时候，也就是给鸟建造一个鸟窝，我们可以给他们各自建造一个别墅，但是会造成内存的浪费，不能很好的利用内存空间。

我们在想，如果给鸟分配内存，只需要鸟窝大小的空间就够了，如果给狗分配内存，那么也只需要狗窝大小的内存，而不是给鸟和狗都分配一座别墅，造成内存的浪费。

当我们定义一个变量，a = 10,编译器如何分配内存？计算机只是一个机器，它怎么知道用多少内存可以放得下10？

所以说，数据类型非常重要，它可以告诉编译器分配多少内存可以放得下我们的数据。

狗窝里面是狗，鸟窝里面是鸟，如果没有数据类型，你怎么知道冰箱里放得是一头大象!

数据类型基本概念：

类型是对数据的抽象;
类型相同的数据具有相同的表示形式、存储格式以及相关操作;
程序中所有的数据都必定属于某种数据类型;
数据类型可以理解为创建变量的模具: 固定大小内存的别名;

3.1.2 数据类型别名

示例代码：

typedef unsigned int u32;

typedef struct _PERSON{

char name[64];

int age;

}Person;

void test(){

u32 val; //相当于 unsigned int val;

Person person; //相当于 struct PERSON person;

}

3.1.3 void数据类型

void字面意思是”无类型”,void* 无类型指针，无类型指针可以指向任何类型的数据。

void定义变量是没有任何意义的，当你定义void a，编译器会报错。

void真正用在以下两个方面：

对函数返回的限定；
对函数参数的限定；

示例代码：

//1. void修饰函数参数和函数返回

void test01(void){

printf("hello world");

}

//2. 不能定义void类型变量

void test02(){

void val; //报错

}

//3. void* 可以指向任何类型的数据，被称为万能指针

void test03(){

int a = 10;

void* p = NULL;

p = &a;

printf("a:%d\n",*(int*)p);

char c = 'a';

p = &c;

printf("c:%c\n",*(char*)p);

}

//4. void* 常用于数据类型的封装

void test04(){

//void * memcpy(void * _Dst, const void * _Src, size_t _Size);

}

3.1.4 sizeof操作符

sizeof是c语言中的一个操作符，类似于++、--等等。sizeof能够告诉我们编译器为某一特定数据或者某一个类型的数据在内存中分配空间时分配的大小，大小以字节为单位。

基本语法：

sizeof(变量);

sizeof 变量；

sizeof(类型);

sizeof 注意点：

sizeof返回的占用空间大小是为这个变量开辟的大小，而不只是它用到的空间。和现今住房的建筑面积和实用面积的概念差不多。所以对结构体用的时候，大多情况下就得考虑字节对齐的问题了；
sizeof返回的数据结果类型是unsigned int；
要注意数组名和指针变量的区别。通常情况下，我们总觉得数组名和指针变量差不多，但是在用sizeof的时候差别很大，对数组名用sizeof返回的是整个数组的大小，而对指针变量进行操作的时候返回的则是指针变量本身所占得空间，在32位机的条件下一般都是4。而且当数组名作为函数参数时，在函数内部，形参也就是个指针，所以不再返回数组的大小；

示例代码：

//1. sizeof基本用法

void test01(){

int a = 10;

printf("len:%d\n", sizeof(a));

printf("len:%d\n", sizeof(int));

printf("len:%d\n", sizeof a);

}

5.typedef的使用

示例代码：

typedef unsigned int u32;

typedef struct _PERSON{

char name[64];

int age;

}Person;

void test(){

u32 val; //相当于 unsigned int val;

Person person; //相当于 struct PERSON person;

}

6.void使用

void字面意思是”无类型”,void* 无类型指针，无类型指针可以指向任何类型的数据。

void定义变量是没有任何意义的，当你定义void a，编译器会报错。

void真正用在以下两个方面：

对函数返回的限定；
对函数参数的限定；

示例代码：

//1. void修饰函数参数和函数返回

void test01(void){

printf("hello world");

}

//2. 不能定义void类型变量

void test02(){

void val; //报错

}

//3. void* 可以指向任何类型的数据，被称为万能指针

void test03(){

int a = 10;

void* p = NULL;

p = &a;

printf("a:%d\n",*(int*)p);

char c = 'a';

p = &c;

printf("c:%c\n",*(char*)p);

}

//4. void* 常用于数据类型的封装

void test04(){

//void * memcpy(void * _Dst, const void * _Src, size_t _Size);

}

7.sizeof使用

//2. sizeof 结果类型

void test02(){

unsigned int a = 10;

if (a - 11 < 0){

printf("结果小于0\n");

}

else{

printf("结果大于0\n");

}

int b = 5;

if (sizeof(b) - 10 < 0){

printf("结果小于0\n");

}

else{

printf("结果大于0\n");

}

//3. sizeof 碰到数组

void TestArray(int arr[]){

printf("TestArray arr size:%d\n",sizeof(arr));

}

void test03(){

int arr[] = { 10, 20, 30, 40, 50 };

printf("array size: %d\n",sizeof(arr));

//数组名在某些情况下等价于指针

int* pArr = arr;

printf("arr[2]:%d\n",pArr[2]);

printf("array size: %d\n", sizeof(pArr));

//数组做函数函数参数，将退化为指针,在函数内部不再返回数组大小

TestArray(arr);

}

8.变量的修改方式

3.1.1 变量的概念

既能读又能写的内存对象，称为变量；

若一旦初始化后不能修改的对象则称为常量。

变量定义形式：类型标识符, 标识符, … , 标识符

3.1.2 变量名的本质

变量名的本质：一段连续内存空间的别名；
程序通过变量来申请和命名内存空间 int a = 0；
通过变量名访问内存空间；
不是向变量名读写数据，而是向变量所代表的内存空间中读写数据；

修改变量的两种方式：

void test(){

int a = 10;

//1. 直接修改

a = 20;

printf("直接修改,a:%d\n",a);

//2. 间接修改

int* p = &a;

*p = 30;

printf("间接修改,a:%d\n", a);

}

9.内存四区-运行前

3.3.1 内存分区

3.3.1.1 运行之前

我们要想执行我们编写的c程序，那么第一步需要对这个程序进行编译。

预处理：宏定义展开、头文件展开、条件编译，这里并不会检查语法
编译：检查语法，将预处理后文件编译生成汇编文件
汇编：将汇编文件生成目标文件(二进制文件)
链接：将目标文件链接为可执行程序

当我们编译完成生成可执行文件之后，我们通过在linux下size命令可以查看一个可执行二进制文件基本情况：

通过上图可以得知，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

存放 CPU 执行的机器指令。通常代码区是可共享的（即另外的执行程序可以调用它），使其可共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可。代码区通常是只读的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指t令。另外，代码区还规划了局部变量的相关信息。

全局初始化数据区/静态数据区（data段）

该区包含了在程序中明确被初始化的全局变量、已经初始化的静态变量（包括全局静态变量和t）和常量数据（如字符串常量）。

未初始化数据区（又叫 bss 区）

存入的是全局未初始化变量和未初始化静态变量。未初始化数据区的数据在程序开始执行之前被内核初始化为 0 或者空（NULL）。

总体来讲说，程序源代码被编译之后主要分成两种段：程序指令(代码区)和程序数据（数据区）。代码段属于程序指令，而数据域段和.bss段属于程序数据。

那为什么把程序的指令和程序数据分开呢？

程序被load到内存中之后，可以将数据和代码分别映射到两个内存区域。由于数据区域对进程来说是可读可写的，而指令区域对程序来讲说是只读的，所以分区之后呢，可以将程序指令区域和数据区域分别设置成可读可写或只读。这样可以防止程序的指令有意或者无意被修改；
当系统中运行着多个同样的程序的时候，这些程序执行的指令都是一样的，所以只需要内存中保存一份程序的指令就可以了，只是每一个程序运行中数据不一样而已，这样可以节省大量的内存。比如说之前的Windows Internet Explorer 7.0运行起来之后，它需要占用112 844KB的内存，它的私有部分数据有大概15 944KB，也就是说有96 900KB空间是共享的，如果程序中运行了几百个这样的进程，可以想象共享的方法可以节省大量的内存。

10.内存四区-运行后

3.3.1.1 运行之后

程序在加载到内存前，代码区和全局区(data和bss)的大小就是固定的，程序运行期间不能改变。然后，运行可执行程序，操作系统把物理硬盘程序load(加载)到内存，除了根据可执行程序的信息分出代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）之外，还额外增加了栈区、堆区。

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。

全局初始化数据区/静态数据区（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。

类型	作用域	生命周期	存储位置
auto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