深入解析C语言中的内存分配相关问题

C内存分配区域

程序代码区
存放函数体的二进制代码

全局数据区
全局变量和静态变量的存储是放在一起的。初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。常量数据存放在另一个区域里。这些数据在程序结束后由系统释放。我们所说的BSS段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称

栈区
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

堆区
一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收

命令行参数区
存放命令行参数和环境变量的值

示例

#include <stdio.h>

int a = 0; // 静态存储区（初始化区域）
char *p1; // 静态存储区（未初始化区域）

void example()
{
 int b; // 栈区
 char s[] = "abc"; // 栈区
 char *p2; //栈区

 static int b = 0; // 静态存储区(初始化区域)

 // 分配得来的10和20字节的区域在堆上
 p1 = (char *)malloc(10);
 p2 = (char *)malloc(10);
}

图示

注意

    在嵌入式系统中有ROM和RAM两类内存，程序被固化进ROM，变量和堆栈设在RAM中，用const定义的常量也会被放入ROM中
    用const定义常量可以节省空间，避免不必要的内存分配

变量

　　什么是局部变量、全局变量和静态变量？

　　顾名思义，局部变量就是在一个有限的范围内的变量，作用域是有限的，对于程序来说，在一个函数体内部声明的普通变量都是局部变量，局部变量会在栈上申请空间，函数结束后，申请的空间会自动释放。而全局变量是在函数体外申请的，会被存放在全局（静态区）上，知道程序结束后才会被结束，这样它的作用域就是整个程序。静态变量和全局变量的存储方式相同，在函数体内声明为static就可以使此变量像全局变量一样使用，不用担心函数结束而被释放。
相关函数：

void *malloc(size_t size);
void free(void *p);

/*一般这样用
Struct elem *p;
p = (struct elem*)malloc(sizeof(struct elem))

void free(p)
*/

malloc原理

    　　malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。如果无法获得符合要求的内存块，malloc函数会返回NULL指针，因此在调用malloc动态申请内存块时，一定要进行返回值的判断。

malloc的使用要点

函数malloc的原型如下：

void * malloc(size_t size);

示例
用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存，程序如下：

int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * length);

注意

    malloc返回值的类型是void *,所以在调用malloc时要显式地进行类型转换，将void* 转换成所需要的指针类型
    malloc函数本身并不能识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。我们通常记不住int，float等数据类型在不同平台下的具体字节数，因此在malloc中使用sizeof是良好的风格

直接搬运的代码，确实很好！！容易理解

//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区

main()
{
 int b; //栈
 char s[] = "abc"; //栈
 char *p2; //栈
 char *p3 = "123456"; //123456\\0在常量区，p3在栈上。
 static int c =0;//全局（静态）初始化区
 p1 = (char *)malloc(10);
 p2 = (char *)malloc(20);//分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
 strcpy(p1, "123456"); //123456\\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

此外，还有realloc(重新分配内存)、calloc（初始化为0）、alloca（在栈上申请内存，自动释放）等。

内存的规范种类

常规类(Conventional Memory)
常规类在内存分配表中占用最前面的位置，从0KB到640KB（地址000000H ～ 109FFFFH），共占用640KB的容量。因为它在内存的最前面并且在DOS可管理的内存区，我们又称之为 Low Dos Memory(低DOS内存)，或称之为基本内存(Base Memory),使用此空间的程序有BIOS，DOS操作系统，外围设备的驱动程序，中断向量表，一些常驻的程序，空闲可用的内存空间以及一般的应用软件都可以在此空间执行

高位内存(Upper Memory)
高位内存是常规内存上面的一层内存(640KB ~ 1024KB)

高端内存区(High Memory Area)
它是1024KB至1088KB之间的64KB内存

扩展内存块(Extened Memory Block)
扩展内存是1MB以上的内存空间，其地址是从100000H开始，连续不断向上扩展的内存，扩展内存取决于CPU的寻址能力

 

内存分配方式

常见三种分配方式

静态存储区域分配
内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在，例如全局变量，static变量
在栈上创建
在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限
从堆上分配
动态内存分配，程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也是最多

常见的内存错误及对策
发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误，通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状，时隐时现，增加了改错的难度。

内存分配未成功，却使用了它
编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用的解决办法是，在使用内存之前检查指针是否为NULL。例如：

t = (struct btree *)malloc(sizeof(struct btree));
if (t == NULL) {
 printf("内存分配失败!\n");
 exit(EXIT_FAILURE);
}

内存分配成功，但是尚未初始化就引用它
犯这种错误主要由两个起因：

1.     没有初始化的概念
2.     误认为内存的缺省初值全为0,导致引用初值错误。内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准，所以无论用何种方式创建数组，都别忘了赋初值，即便是赋初值0也不可省略，不要嫌麻烦

忘记释放内存，导致内存泄漏

    含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始的时候，系统内存充足，你看不到错误。终有一次程序突然死掉，系统出现提示：内存耗尽
    动态内存的申请与释放必须配对，程序中malloc和free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误

释放了内存却继续使用它

    程序中的对象调用关系过于复杂，实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存，此时应该重新设计数据结构，从根本上解决对象管理的混乱局面
    函数的reture语句写错了，注意不要返回指向"栈内存"的“指针”或者“引用”，因为该内存在函数体结束时被自动销毁
    使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”

规则

    用malloc或new申请内存之后，应该立即检查指针是否为NULL。防止使用指针为NULL的内存
    不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用
    避免数组或者指针的下标越界，特别要当心发生“多1”或者“少1”的操作
    动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏
    用free或delete释放内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”

指针与数组的对比
c程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的

数组要么在静态存储区被创建(如全局数组)，要么在栈上被创建。数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地址与容量在生命周期内保持不变，只有数组的内容可以改变

指针可以随时指向任意类型的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活，但也更危险。

修改内容
字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello。a的内容可以修改，例如a[0]='x'.指针p指向常量字符串“world”（位于静态存储区，内容为world），常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器并不觉得语句p[0]='x'有什么不妥，但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误

#include <stdio.h>

int main()
{
 char a[] = "hello";
 a[0] = 'x';

 printf("%s\n", a);

 char *p = "wrold";
 p[0] = 'x';
 printf("%s\n", p);

 return 0;
}

内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。若想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句 b = a，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理，比较b和a的内容是否相同，应该用标准库函数strcmp进行比较

语句p = a并不能把a的内容复制指针p，而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)1个字符的内存，再用strcpy进行字符串复制。同理，语句if(p == a)比较的不是内容而是地址，应该用库函数strcmp来比较

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
 char a[] = "hello";
 char b[10];

 strcpy(b, a); //不能用b = a

 int len = strlen(a);
 char *p = (char *)malloc((len + 1) * sizeof(char));

 strcpy(p, a);

 if (strcmp(p, a) == 0) {
  printf("p和a是相等的！\n");
 }

 free(p);
 return 0;
}

计算内存容量
用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。sizeof(a)的值是12.指向p指向a，但是sizeof(p)的值却是4.这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数(32bit机器内存地址为32bit),相当于sizeof(char *),而不是p所指的内存容量。

注意当数组作为函数的参数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针。不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

void funC(char *a);

int main()
{
 char a[] = "hello";
 char *p = a;

 printf("%d\n", sizeof(a)); // 6字节
 printf("%d\n", sizeof(p)); // 4字节

 funC(a);
 return 0;
}

void funC(char *a)
{
 printf("%d\n", sizeof(a)); // 4字节而不是6字节
}

运算结果：

指针参数是如何传递内存的
如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。示例中，Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存，str依旧是NULL，为什么？

代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

void GetMemory(char *p, int num)
{
 p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);
}

char* getMemory(char *p, int num)
{
 p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
 return p;
}

int main()
{
 char *str = NULL;
 str = getMemory(str, 200);
 strcpy(str, "hello world!"); //运行错误
 printf("%s", str);
 free(str);
 return 0;
}

错误

原因
问题出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数p的副本是_p,编译器使_p = p.如果函数体内的程序修改了_p的内容，就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p申请了新的内存，只是把_p所指的内存地址改变了，但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory就会泄漏一块内存，因为没有用free释放内存

改进
我们可以用函数返回值来传递动态内存，这种方法更简单，见示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

void GetMemory(char *p, int num)
{
 p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);
}

char* getMemory(char *p, int num)
{
 p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
 return p;
}

int main()
{
 char *str = NULL;
 str = getMemory(str, 200);
 strcpy(str, "hello world!"); //运行错误
 printf("%s\n", str);
 free(str);
 return 0;
}

注意：
用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向”栈内存“的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡。

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

void GetMemory(char *p, int num)
{
 p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);
}

char* getMemory(char *p, int num)
{
 p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
 return p;
}

char* getArray(void)
{
 char p[] = "hello world!";
 return p; // 编译器提出警告
}
int main()
{
 char *str = NULL;
 str = getArray();
 printf("%s\n", str); // str指向的内容是垃圾
 free(str);
 return 0;
}

杜绝“野指针”
"野指针"不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。“野指针”的成因主要有两种：

    指针变量没有初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应该被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存，例如：
   

char *p = NULL;
char *str = (char *)malloc(sizeof(char) * 100);

    指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针
    指针操作超越了变量的作用范围

内存耗尽怎么办
如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块，malloc函数将返回NULL指针，宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题

    判断指针是否为NULL，如果是则马上用return语句终止本函数。例如：

char* getPoint()
{
 char *p = malloc(sizeof(char) * 100);
 if (p == NULL) {
  return null;
 }
}

    判断指针是否为NULL，如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行（我经常用也是推荐做法）：

char* getPoint()
{
 char *p = malloc(sizeof(char) * 100);
 if (p == NULL) {
  exit(1);
 }
}

    为new和malloc设置异常处理函数