【原】一文讀懂C語(yǔ)言與C++動(dòng)態(tài)內(nèi)存

C語(yǔ)言與CPP編程 2021-12-15

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程序在編譯、運(yùn)行等各個(gè)過(guò)程中，不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)存放在不同的位置。動(dòng)態(tài)內(nèi)存是從堆上分配，也叫動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。程序員自己負(fù)責(zé)在何時(shí)釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期由程序員決定，使用非常靈活。

C、C++程序編譯的內(nèi)存分配

1.從靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域分配

內(nèi)存在程序編譯時(shí)就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在。速度快、不容易出錯(cuò)，因?yàn)橛邢到y(tǒng)會(huì)善后。例如全局變量，static變量等。

2.在棧上分配

在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲(chǔ)單元都在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。

3.從堆上分配

即動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行的時(shí)候用malloc或new申請(qǐng)任意大小的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在何時(shí)用free或delete釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期由程序員決定，使用非常靈活。如果在堆上分配了空間，就有責(zé)任回收它，否則運(yùn)行的程序會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，另外頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會(huì)產(chǎn)生堆內(nèi)碎塊。

一個(gè)C、C++程序編譯時(shí)內(nèi)存分為5大存儲(chǔ)區(qū)：堆區(qū)、棧區(qū)、全局區(qū)、文字常量區(qū)、程序代碼區(qū)，如下表所示。

實(shí)例：

int a=0;      //全局區(qū)初始化a
char *p1;     //全局區(qū)未初始化p1
static char b;  //全局區(qū)未初始化靜態(tài)變量b

int main(void)
{
  int c;      //棧區(qū)臨時(shí)變量c
  char s[]="abc";  //棧區(qū)臨時(shí)數(shù)組變量s
  char *p2;        //棧區(qū)臨時(shí)變量p2
  char *p3="123";  //常量區(qū)常量123，棧區(qū)指針變量p3
  static int d=0;   //全局靜態(tài)初始化靜態(tài)變量d
  p1=new char[10];  //堆區(qū)分配10個(gè)字節(jié)符空間
  p2=new char[20];  //堆區(qū)分配20個(gè)字節(jié)符空間
  strcpy(p1,"123);  //123放在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)將它與p3所指向的"123"優(yōu)化成一個(gè)地方
}

答案

棧區(qū)（stack）：由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放為運(yùn)行函數(shù)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回?cái)?shù)據(jù)、返回地址等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。
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)可能由系統(tǒng)回收。分配方式類似于鏈表。
全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）：存放全局變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)、常量。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
文字常量區(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（類成員函數(shù)和全局函數(shù)）的二進(jìn)制代碼。

補(bǔ)充：在不同的內(nèi)存區(qū)域，對(duì)于理解編程中的數(shù)據(jù)類型作用域和注意事項(xiàng)，比如靜態(tài)數(shù)據(jù)和全局?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)其聲明后區(qū)域的全局可見性，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存為什么要及時(shí)釋放等有很大的幫助。

2 分析代碼段有沒有錯(cuò)誤

代碼段1

void A(char *p)
{
   p=(char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char *str = NULL;
  A(str);
  strcpy(str,"hello world";
  printf(str);
}

代碼段2

char *A(void)
{
   char p[]="hello world";
   return p;
}
void Test(void)
{
  char *str = NULL;
  str = A();
  printf(str);
}

代碼段3

void A(char **p,int num)
{
   *p=(char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
  char *str = NULL;
  A(&str，100);
  strcpy(str,"hello");
  printf(str);
}

代碼段4

void Test(void)
{
  char *str = (char *)malloc(100);
  strcpy(str,"hello";
  free(str);
}

分析問題:代碼一到代碼四主要考查面試者對(duì)內(nèi)存操作的理解程度，基本功扎實(shí)的面試者能找到大部分的錯(cuò)誤，但是全部找出還是有一定難度的。這四段代碼主要有以下三個(gè)問題：

指針的理解和使用問題。
變量生存周期和作用域的問題。
動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的問題。

代碼一：傳入函數(shù)A( char *p )的參數(shù)為字符型指針，在這個(gè)函數(shù)修改參數(shù)p的值時(shí)并不能真正修改實(shí)參的值，如：

char *str = NULL;
A(str);

執(zhí)行完這兩句后str的值仍然是NULL，如果想改變指針的值，就得用二階指針來(lái)完成。不理解指針和指針的用法是導(dǎo)致這個(gè)錯(cuò)誤的主要原因。

代碼二：在函數(shù)A(void )中：

char p[]="hello world";
return p;

其中的p[]數(shù)組是函數(shù)A中的局部變量，函數(shù)返回后，p就被釋放掉了，str指向了一段無(wú)用的內(nèi)存區(qū)域，輸出的str會(huì)是亂碼。理解變量的作用域是解決本題的關(guān)鍵。

代碼三：避免了代碼一中的問題，A的參數(shù)是二階指針，傳入的參數(shù)也是字符串的指針的指針，這樣就可以在函數(shù)A中改變字符串指針的值了。但是在A中執(zhí)行了申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的并且賦值給字符串指針的語(yǔ)句：

*p=(char *)malloc(num);

在Test中A返回后，沒有對(duì)指針*p做任何判斷就使用了p。

 strcpy(str,"hello");

假如動(dòng)態(tài)內(nèi)存沒有申請(qǐng)成功，這句就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以在申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存后，應(yīng)該首先判斷是內(nèi)存否申請(qǐng)成功，然后再使用，以避免錯(cuò)誤發(fā)生。如下：

if(*p =NULL)
{
    .......//申請(qǐng)失敗異常處理
}

另外，沒有釋放動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存空間。

代碼四：同代碼三一樣，申請(qǐng)了動(dòng)態(tài)內(nèi)存后沒有檢驗(yàn)是否申請(qǐng)成功就直接使用，并且在free( str)后str沒有置空，str成了“野指針”。一定要記得每次釋放動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存空間后指針要置空，如下：

free(str);
str = NULL;

答案

四段代碼全有錯(cuò)誤:

代碼一：A( char *p )的參數(shù)為字符型指針，在這個(gè)函數(shù)修改參數(shù)p的值時(shí)并不能真正修改實(shí)參的值。
代碼二：其中的p[]數(shù)組是函數(shù)A中的局部變量，函數(shù)返回后，p就被釋放掉，str便指向了一段無(wú)用的內(nèi)存區(qū)域。
代碼三：沒有判斷動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)是否成功而直接使用，沒有釋放動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存，造成內(nèi)存泄漏。
代碼四：沒有判斷動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)是否成功而直接使用，動(dòng)態(tài)內(nèi)存釋放后沒有將指針置空。

注意：申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí)一定要先判斷是否申請(qǐng)成功，失敗時(shí)要進(jìn)行失敗處理；動(dòng)態(tài)內(nèi)存使用后要及時(shí)釋放，不要造成內(nèi)存的泄漏；釋放后將原先指向動(dòng)態(tài)內(nèi)存的指針置空，以免生成“野指針”。