C语言学习笔记之内存分配篇

1、栈（stack）:由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。 
2、堆（heap）:一般由程序员动态分配（调用malloc函数）和释放（调用free函数），若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。 
3、数据段（data）:存放的是全局变量。静态变量、常数。根据存放的数据，数据段又可以分成普通数据段（包括可读可写、只读数据段，存放静态初始化的全局变量或常量）、BSS数据段（存放未初始化的全局变量）。
4、代码段（code）:存放函数体的二进制代码。
//segment/area 

 ----                       ----                        --------
| 栈 |<==局部变量  | 堆 |<==molloc()  | 数据段 |<==常量、static变量、全局变量
 ----                       ----                        --------
 --------
| 代码段 |<==存放程序代码
 --------

栈(堆栈) stack VS 堆(堆内存) heap
1.申请方式 
2.申请后系统的响应
3.申请大小的限制
4.申请速度的限制
5.存储内容
6.生命周期
解释：
1.申请方式 
stack: 由系统自动分配。 
例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间
heap: 需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符
如p2 = new char[10];
但是注意p1、p2本身是在栈中的.

2.申请后系统的响应 
栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。 
堆：首先应该知道操作系统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,会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点表中删除，并将该结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delete语句才能正确的释放本内存空间。 另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。 

3.申请大小的限制 
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，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。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

4.申请效率的比较： 
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。 

堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便. 另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活.

5.堆和栈中的存储内容 
栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（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。注意静态变量是不入栈的。 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存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。 
堆：一般是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。 

6.存取效率的比较 
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的； 而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 
比如：
#include void main() 
{ 
char a = 1; 
char c[] = "1234567890"; 
char *p ="1234567890"; 
a = c[1]; 
a = p[1]; 
return; 
} 
对应的汇编代码 
10: a = c[1]; 
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 11: a = p[1]; 
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。


(3)系统对于函数内的顺序定义的局部变量在内存中是从高向低分配的。
例：
#include<stdio.h>


int main(){
int a=30;
int arr[5]={1,2,3,4,5};
int y=20;
printf("%p %p %p\n",&x,&arr[4],&y);
return 0;
}
结果：0xbff6c050 0xbff6c04c 0xbff6c038


【内存对齐】
(1)#pragma pack (n)?这个语句用于设置结构体的内存对齐方式，具体作用下面再说。在linux gcc?下n可取的值为：1，2，4，当n大于4时按4处理。如果程序中没用显试写出这个语句，那么在linux gcc下，它会对所有结构体都采用#pragma pack (4)的内存对齐方式。需要注意的是，在不同的编译平台上默认的内存对齐方式是不同的。如在VC中，默认是以#pragma pack (8)?的方式进行对齐。


(2)内存对齐总规则：
结构体成员的地址必须安排在成员大小的整数倍上或者是#pragma pack(n)?所指定的n的倍数上；取两者的最小值，即MIN(sizeof(mem), n)，称MIN(sizeof(mem), n)为该结构体的成员对齐模数。同时该结构体的总大小必须为MIN(n, MAX(sizeof(mem1), siezof(mem2)…))的整数倍；而称MIN(n, MAX(sizeof(mem1), siezof(mem2)…))为该结构体的对齐模数。
例：
typedef struct{
int i;//[0,3]
char c;//[4]
short s;//[6,7]
char buf[21];//[8,28]
}s;//32
再来一个：
typedef struct {
int id;//[0,3]
char name[50];//[4,53]
int age;//[56,59]
char gender[10];//[60,69]
} s;//72


(3)内存对齐细则：
下面的3条细则符合上面所说的总规则；这里的偏移指某一个数据成员的首地址到该结构体头的地址偏移。
(1)?对结构体的成员，第一个数据位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是成员对齐模数的倍数。
(2)?为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的偏移是否为成员对齐模数的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员与上一成员之前填充一定的字节，从而达到整数倍的要求。
(3)?在数据成员完成自身的对齐后，结构体本身也要进行对齐。意思是该结构体的大小必须是结构体的对齐模数的整数倍。如果其大小不是，那么则在最后一个成员的后面填充字节。