【嵌入式开发】C语言 内存分配 地址 指针 数组 参数 实例解析（一）

指针简介 : 指针式保存变量地址的变量;

-- 增加阅读难度 : 指针 和 goto 语句会增加程序的理解难度, 容易出现错误;

-- ANSI C : American National Standards Institute 美国国家标准学会, 即标准C;

-- 通用指针类型 : ANSI C中使用 void* 作为通用指针类型, 即指向void的指针, void 是空类型, void* 是空类型指针, 可以指向任意类型的地址;

1. void 与 void*

(1) void 简介

void 作用 :

-- 限定参数 : 函数没有返回值, 需要使用 void 声明, 否则默认返回 int 类型;

-- 限定返回值 : 函数不接收参数, 使用 void 作为参数, 如果传入参数, 编译器就会报错;

使用void注意点 :

-- void不能表示变量 : void a, 这样定义是错误的;

-- 默认返回值 : C 中, 如果没有标明返回值类型, 默认的返回值不是 void, 是 int 类型;

-- void参数 : C 语言中参数是void, 传入参数不会出错, C++中传入参数会出错, 因此这里我们统一规定, 如果函数没有参数, 就定义为void;

.

(2) void*简介

void * 作用 :

-- 通用数据类型 : void * 指针可以存放任意类型数据的地址, 任何数据类型的指针都可以赋值给 void * 通用类型指针;

-- 任意类型 : 如果 函数 的 参数 和 返回值 可以是任意类型, 就可以使用 void * 作为函数的 参数 或者 返回值;

使用void* 注意点 :

-- void * 与 其它类型互相赋值 : int * 变量可以赋值给 void * 变量, 但是void * 变量如果赋值给 int * 变量需要强转为 int * 类型;

-- void * 不允许进行 算数操作 : 标准C 中规定 void * 类型不允许进行 加减乘除 算数运算, 因为我们不知道这个类型的大小, GUN 中void * 等价于 char * ;

2. C 语言 程序内存分配

(1) 内存分区状况

栈区 (stack) :

-- 分配, 释放方式 : 由编译器自动分配 和 释放;

-- 存放内容 : 局部变量, 参数;

-- 特点 : 具有 后进先出 特性, 适合用于 保存 回复 现场;

堆区 (heap) :

-- 分配, 释放方式 : 由程序员手动 分配(malloc) 和 释放(free), 如果程序员没有释放, 那么程序退出的时候, 会自动释放;

-- 存放内容 : 存放程序运行中 动态分配 内存的数据;

-- 特点 : 大小不固定, 可能会动态的 放大 或 缩小;

堆区内存申请 :

-- 申请过程 : OS中有一个记录空闲内存地址的链表, 如果程序员申请内存, 就会找到空间大于申请内存大小的节点, 将该节点从空间内存链表中删除, 并分配该节点;

-- 剩余内存处理 : 系统会将多余的部分重新放回 空闲内存链表中;

-- 首地址记录大小 : 分配内存的首地址存放该堆的大小, 这样释放内存的时候才能正确执行;

全局区/静态区 (数据段 data segment / bss segment) :

-- 分配, 释放方式 : 编译器分配内存, 程序退出时系统自动释放内存;

-- 存放内容 : 全局变量, 静态变量;

-- 特点 : 全局变量 和 静态变量存储在一个区域, 初始化的两种变量 和 未初始化的 存储在不同区域, 但是两个区域是相邻的;

常量区 :

-- 分配, 释放方式 : 退出程序由系统自动释放;

-- 存放内容 : 常量;

代码区 (text segment) :

-- 分配, 释放方式 : 编译器分配内存, 程序退出时系统自动释放内存;

-- 存放内容 : 存放 程序的二进制代码, 和一些特殊常量;

内存存放顺序 (由上到下) : 栈区 -> 堆区 -> 全局区 -> 常量区 -> 代码区;

(2) 内存分配方式

全局内存分配 :

-- 生命周期 : 编译时分配内存, 程序退出后释放内存, 与 程序 的生命周期相同;

-- 存储内容 : 全局变量, 静态变量;

栈内存分配 :

-- 生命周期 : 函数执行时分配内存, 执行结束后释放内存;

-- 特点 : 该分配运算由处理器处理, 效率高, 但是栈内存控件有限;

堆内存分配 :

-- 生命周期 : 调用 malloc()开始分配, 调用 free()释放内存, 完全由程序员控制;

-- 谨慎使用 : 如果分配了 没有释放, 会造成内存泄露, 如果频繁 分配 释放 会出现内存碎片;

(3) register变量

使用场景 : 如果 一个变量使用频率特别高, 可以将这个变量放在 CPU 的寄存器中;

-- 修饰限制 : 只有 局部变量 和 参数 可以被声明为 register变量, 全局 和 静态的不可以;

-- 数量限制 : CPU 寄存器 很宝贵, 不能定义太多register变量;

(4) extern 变量

extern变量概念 : 声明外部变量, 外部变量就是在函数的外部定义的变量, 在本函数中使用;

-- 作用域 : 从外部变量定义的位置开始, 知道本源码结束都可以使用, 但是只能在定义extern后面使用, 前面的代码不能使用;

-- 存放位置 : 外部变量 存放在 全局区;

extern变量作用 : 使用extern修饰外部变量, ① 扩展外部变量在本文件中的作用域, ② 将外部变量作用域从一个文件中扩展到工程中的其它文件;

extern声明外部变量的情况 :

-- 单个文件内声明 : 如果不定义在文件开头, 其作用范围只能是 定义位置开始, 文件结束位置结束;

-- 多个文件中声明 : 两个文件中用到一个外部变量, 只能定义一次, 编译 和 连接的时候, 如果没有这个外部变量, 系统会知道这个外部变量在别处定义, 将另一个文件中的外部变量扩展到本文件中;

extern编译原则 :

-- 本文件中能找到 : 编译器遇到 extern 的时候, 现在本文件中找外部变量的定义的位置, 如果找到, 就将作用域扩展到 定义的位置 知道文件结束;

-- 本文件中找不到 : 如果本文件中找不到, 连接其它文件找外部变量定义, 如果找到, 将外部变量作用域扩展到本文件中;

-- 外部文件找不到 : 报错;

使用效果 : extern 使用的时候, 可以不带数据类型;

-- 本文件 : int A = 0; 在第10行, extern A 在第一行, 那么A的作用域就扩展为从第一行到文件末尾;

-- 多文件 : 在任意文件中定义了 int A = 0; 在本文件中声明 extern A, 那么从当前位置到文件末尾都可以使用该变量;

(5) static变量 与 全局变量区别

static 变量 与 全局变量 相同点 : 全局变量是静态存储的, 存储的方式 和 位置基本相同;

static 变量 与 全局变量不用点 : 全局变量的作用域是 整个项目工程 横跨过个文件, 静态变量的作用域是 当前文件, 其它文件中使用是无效的;

变量存储位置 : 全局变量 和 静态变量 存放在 全局区/静态去, 局部变量存放在 栈区(普通变量, 指针变量内容) 和 堆区(指针变量指向的内容);

变量静态化 :

-- 局部变量 : 局部变量 加上 static , 相当于将局部变量的生命周期扩大到了整个文件, 作用域不改变;

-- 全局变量 : 全局变量 加上 static , 相当于将全局变量的作用域缩小到了单个文件, 生命周期是整个程序的周期;

关于函数头文件的引申 :

-- 内部函数 : 单个文件中使用的内部函数, 仅在那个特定文件中定义函数即可;

-- 全局函数 : 如果要在整个工程中使用一个全局函数, 需要将这个函数定义在一个头文件中;

static变量与普通变量区别 :

-- static全局变量 与 全局变量区别 : static 全局变量 只初始化一次, 防止在其它文件中使用;

-- static局部变量 与 局部变量区别 : static 局部变量 只初始化一次, 下一次依据上一次结果;

static函数与普通函数区别 : static 函数在内存中只保留一份, 普通函数 每调用一次, 就创建一个副本;

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(6) 堆 和 栈比较

堆(heap)和栈(stack)区别 :

-- 申请方式 : stack 由系统自动分配, heap 由程序员进行分配;

-- 申请响应 : 如果 stack 没有足够的剩余空间, 就会溢出; 堆内存从链表中找空闲内存;

-- 内存限制 : stack 内存是连续的, 从高位向低位扩展, 而且很小, 只有几M, 是事先定好的, 在文件中配置; heap 是不连续的, 从低位向高位扩展, 系统是由链表控制空闲程序, 链表从低地址到高地址, 堆大小受虚拟内存限制, 一般32位机器有4G heap;

-- 申请效率 : stack 由系统分配, 效率高; heap 由程序员分配, 速度慢, 容易产生碎片;

(7) 各区分布情况

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按照下图分布 : 由上到下顺序 : 栈区(stack) -> 堆区(heap) -> 全局区 -> 字符常量区 -> 代码区;

验证分区状况 :

-- 示例程序 :

/*************************************************************************
    > File Name: memory.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Mon 10 Mar 2014 08:34:12 PM CST
 ************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int global1 = 0, global2 = 0, global3 = 0;
void function(void)
{
        int local4 = 0, local5 = 0, local6 = 0;
        static int static4 = 0, static5 = 0, static6 = 0;
        int *p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
        printf("子函数 局部变量 : \n");
        printf("local4 : %p \n", &local4);
        printf("local5 : %p \n", &local5);
        printf("local6 : %p \n", &local6);
        printf("子函数 指针变量 : \n");
        printf("p2 : %p \n", p2);
        printf("全局变量 : \n");
        printf("global1 : %p \n", &global1);
        printf("global2 : %p \n", &global2);
        printf("global3 : %p \n", &global3);
        printf("子函数 静态变量 : \n");
        printf("static4 : %p \n", &static4);
        printf("static5 : %p \n", &static5);
        printf("static6 : %p \n", &static6);
        printf("子函数地址 : \n");
        printf("function : %p \n", function);
}
int main(int argc, char **argv)
{
        int local1 = 0, local2 = 0, local3 = 0;
        static int static1 = 0, static2 = 0, static3 = 0;
        int *p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
        const int const1 = 0;
        char *char_p = "char";
        printf("主函数 局部变量 : \n");
        printf("local1 : %p \n", &local1);
        printf("local2 : %p \n", &local2);
        printf("local3 : %p \n", &local3);
        printf("const1 : %p \n", &const1);
        printf("主函数 指针变量 : \n");
        printf("p1 : %p \n", p1);
        printf("全局变量 : \n");
        printf("global1 : %p \n", &global1);
        printf("global2 : %p \n", &global2);
        printf("global3 : %p \n", &global3);
        printf("主函数 静态变量 : \n");
        printf("static1 : %p \n", &static1);
        printf("static2 : %p \n", &static2);
        printf("static3 : %p \n", &static3);
        printf("字符串常量 : \n");
        printf("char_p : %p \n", char_p);
        printf("主函数地址 : \n");
        printf("main : %p \n", main);
        printf("= = = = = = = = = = = = = = = \n");
        function();
        return 0;
}

-- 执行结果 :

[root@ip28 pointer]# gcc memory.c 
[root@ip28 pointer]# ./a.out 
主函数 局部变量 : 
local1 : 0x7fff75f5eedc 
local2 : 0x7fff75f5eed8 
local3 : 0x7fff75f5eed4 
const1 : 0x7fff75f5eed0 
主函数 指针变量 : 
p1 : 0x19bad010 
全局变量 : 
global1 : 0x600e14 
global2 : 0x600e18 
global3 : 0x600e1c 
主函数 静态变量 : 
static1 : 0x600e34 
static2 : 0x600e30 
static3 : 0x600e2c 
字符串常量 : 
char_p : 0x4009f7 
主函数地址 : 
main : 0x40065f 
= = = = = = = = = = = = = = = 
子函数 局部变量 : 
local4 : 0x7fff75f5eea4 
local5 : 0x7fff75f5eea0 
local6 : 0x7fff75f5ee9c 
子函数 指针变量 : 
p2 : 0x19bad030 
全局变量 : 
global1 : 0x600e14 
global2 : 0x600e18 
global3 : 0x600e1c 
子函数 静态变量 : 
static4 : 0x600e28 
static5 : 0x600e24 
static6 : 0x600e20 
子函数地址 : 
function : 0x400528