C語言和其他高級語言的區(qū)別

提到C語言，我們知道C語言和其他高級語言的最大的區(qū)別就是C語言是要操作內(nèi)存的！

我們需要知道——變量，其實(shí)是內(nèi)存地址的一個(gè)抽像名字罷了。在靜態(tài)編譯的程序中，所有的變量名都會在編譯時(shí)被轉(zhuǎn)成內(nèi)存地址。機(jī)器是不知道我們?nèi)〉拿值?，只知道地址?/p>

內(nèi)存的使用是程序設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素之一，這不僅由于系統(tǒng)內(nèi)存是有限的（尤其在嵌入式系統(tǒng)中），而且內(nèi)存分配也會直接影響到程序的效率。因此，我們要對C語言中的內(nèi)存管理，有個(gè)系統(tǒng)的了解。

在C語言中，定義了4個(gè)內(nèi)存區(qū)間：代碼區(qū)；全局變量和靜態(tài)變量區(qū)；局部變量區(qū)即棧區(qū)；動態(tài)存儲區(qū)，即堆區(qū)；具體如下：

1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

2、堆區(qū)（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，呵呵。

3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的 另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

4、常量區(qū) —常量字符串就是放在這里的。 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放

5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。

我們來看張圖：

首先我們要知道，源代碼編譯成程序，程序是放在硬盤上的，而非內(nèi)存里！只有執(zhí)行時(shí)才會被調(diào)用到內(nèi)存中！

我們來看看程序結(jié)構(gòu)，ELF是是Linux的主要可執(zhí)行文件格式。ELF文件由4部分組成，分別是ELF頭（ELF header）、程序頭表（Program header table）、節(jié)（Section）和節(jié)頭表（Section header table）。具體如下：

1、Program header描述的是一個(gè)段在文件中的位置、大小以及它被放進(jìn)內(nèi)存后所在的位置和大小。即要加載的信息；

2、Sections保存著object 文件的信息，從連接角度看：包括指令，數(shù)據(jù)，符號表，重定位信息等等。在圖中，我們可以看到Sections中包括：

(1) .text 文本結(jié) 存放指令；

(2) .rodata 數(shù)據(jù)結(jié) readonly;

(3).data 數(shù)據(jù)結(jié)可讀可寫；

3、Section頭表（section header table）包含了描述文件sections的信息。每個(gè)section在這個(gè)表中有一個(gè)入口；每個(gè)入口給出了該section的名字，大小，等等信息。相當(dāng)于 索引！

而程序被加載到內(nèi)存里面，又是如何分布的呢？我們看看上圖中：

1、正文和初始化的數(shù)據(jù)和未初始化的數(shù)據(jù)就是我們所說的數(shù)據(jù)段，正文即代碼段；

2、正文段上面是常量區(qū)，常量區(qū)上面是全局變量和靜態(tài)變量區(qū)，二者占據(jù)的就是初始化的數(shù)據(jù)和未初始化的數(shù)據(jù)那部分；

3、再上面就是堆，動態(tài)存儲區(qū)，這里是上增長；

4、堆上面是棧，存放的是局部變量，就是局部變量所在代碼塊執(zhí)行完畢后，這塊內(nèi)存會被釋放，這里棧區(qū)是下增長；

5、命令行參數(shù)就是$0 $1之類的，環(huán)境變量什么的前面的文章已經(jīng)講過，有興趣的可以去看看。

我們知道，內(nèi)存分為動態(tài)內(nèi)存和靜態(tài)內(nèi)存，我們先講靜態(tài)內(nèi)存。

一、靜態(tài)內(nèi)存

內(nèi)存管理---存儲模型

存儲模型決定了一個(gè)變量的內(nèi)存分配方式和訪問特性，在C語言中主要有三個(gè)維度來決定：1、存儲時(shí)期 2、作用域 3、鏈接

1、存儲時(shí)期

存儲時(shí)期：變量在內(nèi)存中的保留時(shí)間（生命周期）

存儲時(shí)期分為兩種情況，關(guān)鍵是看變量在程序執(zhí)行過程中會不會被系統(tǒng)自動回收掉。

1) 靜態(tài)存儲時(shí)期 Static

在程序執(zhí)行過程中一旦分配就不會被自動回收。

通常來說，任何不在函數(shù)級別代碼塊內(nèi)定義的變量。

無論是否在代碼塊內(nèi)，只要采用static關(guān)鍵字修飾的變量。

2) 自動存儲時(shí)期 Automatic

除了靜態(tài)存儲以外的變量都是自動存儲時(shí)期的，或者說只要是在代碼塊內(nèi)定義的非static的變量，系統(tǒng)會肚臍自動非配和釋放內(nèi)存；

2、作用域

作用域：一個(gè)變量在定義該變量的自身文件中的可見性（訪問或者引用）

在C語言中，一共有3中作用域：

1) 代碼塊作用域

在代碼塊中定義的變量都具有該代碼的作用域。從這個(gè)變量定義地方開始，到這個(gè)代碼塊結(jié)束，該變量是可見的；

2) 函數(shù)原型作用域

出現(xiàn)在函數(shù)原型中的變量，都具有函數(shù)原型作用域，函數(shù)原型作用域從變量定義處一直到原型聲明的末尾。

3)文件作用域

一個(gè)在所有函數(shù)之外定義的變量具有文件作用域，具有文件作用域的變量從它的定義處到包含該定義的文件結(jié)尾處都是可見的；

3、鏈接

鏈接：一個(gè)變量在組成程序的所有文件中的可見性（訪問或者引用）；

C語言中一共有三種不同的鏈接：

1) 外部鏈接

如果一個(gè)變量在組成一個(gè)程序的所有文件中的任何位置都可以被訪問，則稱該變量支持外部鏈接；

2) 內(nèi)部鏈接

如果一個(gè)變量只可以在定義其自身的文件中的任何位置被訪問，則稱該變量支持內(nèi)部鏈接。

3) 空鏈接

如果一個(gè)變量只是被定義其自身的當(dāng)前代碼塊所私有，不能被程序的其他部分所訪問，則成該變量支持空鏈接

我們來看一個(gè)代碼示例：

[cpp]view plaincopy

1.#include

2.

3.inta=0;//全局初始化區(qū)

4.char*p1;//全局未初始化區(qū)

5.

6.intmain()

7.{

8.intb;//b在棧區(qū)

9.chars[]="abc";//棧

10.char*p2;//p2在棧區(qū)

11.

12.char*p3="123456";//123456\0在常量區(qū)，p3在棧上。

13.staticintc=0；//全局（靜態(tài)）初始化區(qū)

14.

15.p1=(char*)malloc(10);

16.p2=(char*)malloc(20);//分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。

17.

18.strcpy(p1,"123456");//123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優(yōu)化成一個(gè)地方。

19.}

二、動態(tài)內(nèi)存

當(dāng)程序運(yùn)行到需要一個(gè)動態(tài)分配的變量時(shí)，必須向系統(tǒng)申請取得堆中的一塊所需大小的存儲空間，用于存儲該變量。當(dāng)不在使用該變量時(shí)，也就是它的生命結(jié)束時(shí)，要顯示釋放它所占用的存儲空間，這樣系統(tǒng)就能對該空間進(jìn)行再次分配，做到重復(fù)使用有線的資源。下面介紹動態(tài)內(nèi)存申請和釋放的函數(shù)。

1.1 malloc 函數(shù)

malloc函數(shù)原型：

[cpp]view plaincopy

1.#include

2.

3.void*malloc(size_tsize);

size是需要動態(tài)申請的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。若申請成功，函數(shù)返回申請到的內(nèi)存的起始地址，若申請失敗，返回NULL。我們看下面這個(gè)例子：

[cpp]view plaincopy

1.int*get_memory(intn)

2.{

3.int*p;

4.p=(int*)malloc(sizeof(int));

5.if(p==NULL)

6.{

7.printf("mallocerror\n");

8.returnp;

9.}

10.

11.memset(p,0,n*sizeof(int));

12.}

使用該函數(shù)時(shí)，有下面幾點(diǎn)要注意：

1）只關(guān)心申請內(nèi)存的大??；

2）申請的是一塊連續(xù)的內(nèi)存。記得一定要寫出錯(cuò)判斷；3）顯示初始化。即我們不知這塊內(nèi)存中有什么東西，要對其清零；

1.2 free函數(shù)

在堆上分配的額內(nèi)存，需要用free函數(shù)顯示釋放，函數(shù)原型如下：

[cpp]view plaincopy

#include

voidfree(void*ptr);

使用free()，也有下面幾點(diǎn)要注意：

1）必須提供內(nèi)存的起始地址；

調(diào)用該函數(shù)時(shí)，必須提供內(nèi)存的起始地址，不能夠提供部分地址，釋放內(nèi)存中的一部分是不允許的。

2）malloc和free配對使用；

編譯器不負(fù)責(zé)動態(tài)內(nèi)存的釋放，需要程序員顯示釋放。因此，malloc與free是配對使用的，避免內(nèi)存泄漏。

[cpp]view plaincopy

free(p);

p=NULL；

p = NULL是必須的，因?yàn)殡m然這塊內(nèi)存被釋放了，但是p仍指向這塊內(nèi)存，避免下次對p的誤操作；

3）不允許重復(fù)釋放

因?yàn)檫@塊內(nèi)存被釋放后，可能已另分配，這塊區(qū)域被別人占用，如果再次釋放，會造成數(shù)據(jù)丟失；

2、我們經(jīng)常將堆和棧相比較：

2.1申請方式

stack:由系統(tǒng)自動分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間

heap:需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數(shù) ,如p1 = (char *)malloc(10);2.2 申請后系統(tǒng)的響應(yīng)

棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。

堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請時(shí)，會遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，會在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外，由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

2.3申請大小的限制

棧：棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

2.4申請效率的比較：

棧由系統(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

堆是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過用起來最方便。

2.5堆和棧中的存儲內(nèi)容

棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。 當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容由程序員安排。

2.6存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";aaaaaaaaaaa是在運(yùn)行時(shí)刻賦值的；而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)就確定的；但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?例如堆)快。

比如：

[cpp]view plaincopy

1.#include

2.voidmain()

3.{

4.chara=1;

5.charc[]="1234567890";

6.char*p="1234567890";

7.a=c[1];

8.a=p[1];

9.return;

10.}

對應(yīng)的匯編代碼

[cpp]view plaincopy

1.0:a=c[1];

2.004010678A4DF1movcl,byteptr[ebp-0Fh]

3.0040106A884DFCmovbyteptr[ebp-4],cl

4.11:a=p[1];

5.0040106D8B55ECmovedx,dwordptr[ebp-14h]

6.004010708A4201moval,byteptr[edx+1]

7.004010738845FCmovbyteptr[ebp-4],al

第一種在讀取時(shí)直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，再根據(jù)edx讀取字符，顯然慢了。

總結(jié)

堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出： 棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜（發(fā)出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準(zhǔn)備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。

堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。