C之程序中的三國天下（三十五）

        今天我們來探討下 C 語言中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。在程序中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式無外乎分為棧、堆以及靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。我們分別來看看這三種方式，看看有何區(qū)別。

        A、程序中的棧

        棧是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)程序里最為重要的概念之一，棧是用于維護(hù)函數(shù)調(diào)用上下文，同樣函數(shù)中的參數(shù)和局部變量存儲(chǔ)在棧上。棧保存了一個(gè)函數(shù)調(diào)用所需的維護(hù)信息，如下圖所示

        那么每次函數(shù)調(diào)用都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧上的活動(dòng)記錄：a> 調(diào)用函數(shù)的活動(dòng)記錄位于棧的中部；b> 被調(diào)函數(shù)的活動(dòng)記錄位于棧的頂部。

        從 main() 開始運(yùn)行，我們看到有兩個(gè)指針 ebp 和 esp。

        那么當(dāng) main() 調(diào)用 f() 時(shí)，ebp 就往前走四個(gè)字節(jié)，指向原來 esp 的位置。esp 也繼續(xù)向前走

        當(dāng)從 f() 調(diào)用總返回 main() 時(shí)，ebp 和 esp 都向回退四個(gè)字節(jié)。

        那么我們看到函數(shù)調(diào)用時(shí)，對(duì)應(yīng)的?？臻g在函數(shù)返回前是專用的。當(dāng)函數(shù)調(diào)用后?？臻g將被釋放，數(shù)據(jù)不再有效。下圖更形象的表示了

        下來我們以代碼為例進(jìn)行分析

#include <stdio.h>

int* g()
{
    int a[10] = {0};
    
    return a;
}

void f()
{
    int* pointer = g();
}

int main()
{
    f();
    
    return 0;
}

        我們看到在函數(shù) g() 中定義了一個(gè)數(shù)組，但是我們返回了它的地址，也就是返回了局部數(shù)組的地址。在 f() 中調(diào)用了 g()，這樣肯定會(huì)出問題，我們來看看編譯結(jié)果

        我們看到編譯器已經(jīng)給出了警告，那么這么操作肯定是不安全的。

        B、程序中的堆

        那么什么是堆呢？堆是程序中一塊預(yù)留的內(nèi)存空間，可由程序自由使用，堆中被程序申請(qǐng)使用的內(nèi)存在被主動(dòng)釋放前將一直有效。那么我們?yōu)槭裁从辛藯＿€需要堆呢？棧上的數(shù)據(jù)在函數(shù)返回后就會(huì)被釋放掉，無法傳遞到函數(shù)外部，如：局部數(shù)組。那么堆則不一樣，如果我們不去主動(dòng)釋放，它就一直有效，但是也就造成了一個(gè)問題，如果我們只申請(qǐng)不去釋放堆，到最后堆用完了程序便會(huì)崩潰。

        那么我們?cè)诔绦蛑性趺磥砩暾?qǐng)堆呢？在 C 語言程序中通過庫函數(shù)的調(diào)用來獲得堆空間。對(duì)應(yīng)的頭文件是 malloc.h；malloc 是以字節(jié)的方式動(dòng)態(tài)申請(qǐng)堆空間；free 是將堆空間歸還給系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)堆空間的管理方式有這么幾種：空閑鏈表法、位圖法以及對(duì)象池法等。

        下圖是空閑鏈表管理法的示意圖

        如果我們需要申請(qǐng) 4 字節(jié)的話，根據(jù)這個(gè)表來看，我們便會(huì)申請(qǐng)到跟它最匹配的，便是 5 字節(jié)了。所以有時(shí)我們申請(qǐng)的空間會(huì)比我們所需的大一點(diǎn)。

        C、程序中的靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)

        靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)是隨著程序的運(yùn)行而分配空間，它的生命周期直到程序運(yùn)行結(jié)束。在程序的編譯器靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的大小就已經(jīng)確定，主要用于保存全局變量和靜態(tài)局部變量，它保存的信息最終會(huì)保存到可執(zhí)行程序中。

        下來我們以代碼為例來進(jìn)行分析

#include <stdio.h>

int g_v = 1;

static int g_vs  = 2;

void f()
{
    static int g_vl = 3;
    
    printf("&g_vl = %p\n", &g_vl);
}

int main()
{
    printf("&g_v = %p\n", &g_v);
    
    printf("&g_vs = %p\n", &g_vs);
    
    f();
    
    return 0;
}

        我們看到分別定義了三個(gè)變量，第3行是 int 型的全局變量，第5行是加 static 修飾的 int 型變量，第9行是加 static 修飾的函數(shù)內(nèi)的局部變量。我們分別來打印下三個(gè)變量的地址，看看他們有什么關(guān)系

        那么我們看到雖然他們?nèi)齻€(gè)類型不同，但是地址是連續(xù)的，也就證明他們?nèi)齻€(gè)是分布在同一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的，便是靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)啦。通過本節(jié)對(duì)棧、堆以及靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的學(xué)習(xí)，總結(jié)如下：1、棧區(qū)主要用于函數(shù)調(diào)用的使用；2、堆區(qū)主要是用于內(nèi)存的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和歸還；3、靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)用于保存全局變量和靜態(tài)變量。

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