C语言中的内存空间，内存分配malloc

小鱼儿 2023-10-16 19:37 13阅读 0赞

#### 简介： ####

现代计算机操作系统中，重要的一个功能就是内存管理。在Linux系统中，提供了malloc函数来进行内存的分配。对应的，内存释放函数式free。

在C语言中，可以用printf函数输出变量的值，包括变量被分配的地址，%d用于输出整形，%s用于输出字符串，而%p就用于输出变量的地址值。

#### C语言程序的内存空间： ####

C语言程序包括以下几部分：

**正文段**：存放由CPU执行的机器指令，通常为只读；

**初始化数据段**：通常将此段称为数据段，它包含了程序中需赋初值的变量。

例如，C程序中任何函数之外的说明：

> float PI= 3.14f;
> 
> 使此变量以初值存放在初始化数据段中；

**非初始化数据段**：通常将此段称为b s s段，这一名称来源于早期汇编程序的一个操作符，意思是“block started by symbol（由符号开始的块）”。在程序开始执行之前，内核将此段初始化为0。

例如，函数外的说明：

> long sum\[1000\] ;
> 
> 使此变量存放在非初始化数据段中。

**栈**：自动变量以及每次函数调用时所需保存的信息都存放在此段中。

每次函数调用时，其返回地址、以及调用者的环境信息（例如某些机器寄存器）都存放在栈中。然后，新被调用的函数在栈上为其自动和临时变量分配存储空间。

通过以这种方式使用栈，C函数可以递归调用。

例如，

> int main() \{
> 
> int x =10; // 栈存储
> 
> int y = 20; // 栈存储
> 
> return 0;
> 
> \}

**堆**：通常在堆中进行动态存储分配，例如用malloc函数分配的地址空间。由于历史上形成的惯例，堆位于非初始化数据段顶和栈底之间。

例如，

> int main() \{
> 
> int x =10; // 栈分配
> 
> int y = 20; // 栈分配
> 
> char \*p = (char\*)malloc(256); //堆分配
> 
> return 0;
> 
> \}

用malloc在堆中分配了一块内存空间，用p保存这个内存空间的首地址，用于后续访问这块内存。但p这个变量本身是在栈中分配的。

下图，是一个典型的C语言程序内存空间分布图：

![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBAbGlyYW5rZQ_size_13_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

**内存地址的测试：**

#### 1.栈上分配的地址测试： ####

malloc\_p.c，用于打印内存地址值。

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int test1() {
    	/*栈上分配，猜测，x和y的地址相邻*/
    	int x = 10;
    	int y = 20;
    
        /*预想： p = x的地址; &p =p的地址（而且，和y的地址相邻）; 实际结果：和预想的一样*/
    	int *p = &x; 
    
    	printf("x=%d, &x=%p\n",x,&x);
    	printf("y=%d, &y=%p\n",y,&y);
    	printf("p=%p, &p=%p\n",p,&p);
    	printf("\n");
    
    	return 0;
    }
    
    int main() {
    	test1();
    
    }

编译：用gcc命令进行编译：

> gcc malloc\_p.c

运行结果：

> x=10, &x=**0x7ffeed1df88c**
> 
> y=20, &y=0x7ffeed1df888
> 
> p=**0x7ffeed1df88c**, &p=0x7ffeed1df880

可以看到，

一，p的值就是x的地址，而p也有自己的地址；

二，x，y，p三个变量的地址都挨着。其实都是系统在堆栈上给分配的。

#### 2.malloc地址测试： ####

再看一个复杂的例子，我们加上malloc函数，再进行对比：

/*预想：q的值和p的值离的很远，因为，q的值是在堆中分配的，q本身的地址在栈中分配*/
    	char *q = (char*)malloc(256);
    
    	printf("q=%p, &q=%p\n",q,&q);
    	printf("\n");
    
        /*一定要进行free，否则，就有内存泄露*/
        free(q);

运行结果：

> x=10, &x=0x7ffee115788c
> 
> y=20, &y=0x7ffee1157888
> 
> p=0x7ffee115788c, &p=0x7ffee1157880
> 
> q=**0x7f7f0ac05990**, &q=0x7ffee1157878

可见，和我们的预想结果一样，q本身的地址和其它变量的地址都紧挨着，它们的内存都是系统在栈上分配的；而q中存储的值，和其它的变量的地址离的特别远，其实，这个地址就是malloc在堆中分配的内存地址。

#### 3.静态存储区的地址测试： ####

我们再加上静态全局变量和非静态全局变量来看一下：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    /*初始化数据段， 0x402000， 0x402004*/
    /*m=1024, &m=0x402000
      n=2048, &n=0x402004*/
    int m = 1024;
    int n = 2048;
    
    /*非初始化数据段，  0x403100*/
    int arr[10];
    
    /*静态存储，初始化数据段*/
    int static MAX = 256;
    int static MIN;
    
    int test1() {
    	/*栈上分配，猜测，x和y的地址相邻*/
    	int x = 10;
    	int y = 20;
    
        /*预想： p = x的地址; &p =p的地址（而且，和y的地址相邻）; 实际结果：和预想的一样*/
    	int *p = &x; 
    
    	printf("x=%d, &x=%p\n",x,&x);
    	printf("y=%d, &y=%p\n",y,&y);
    	printf("p=%p, &p=%p\n",p,&p);
    
        /*预想：q的值和p的值离的很远，因为，q的值是在堆中分配的，q本身的地址在栈中分配*/
    	char *q = (char*)malloc(256);
    	printf("q=%p, &q=%p\n",q,&q);
        
        /*初始化数据段*/
        printf("m=%d, &m=%p\n",m,&m);
    	printf("n=%d, &n=%p\n",n,&n);
    	printf("\n");
    
        /*非初始化数据段*/
    	printf("arr[0]=%d,&arr[0]=%p\n",arr[0],&arr[0]);
    	printf("&arr=%p\n",&arr);
    	printf("\n");
    
        /*静态存储，初始化数据段*/
    	printf("MAX=%d, &MAX=%p\n",MAX,&MAX);
    	printf("MIN=%d, &MIN=%p\n",n,&MIN);
    	printf("\n");
        
        /*一定要进行free，否则，就有内存泄露*/
        free(q);
    
    	return 0;
    }
    
    int main() {
    	test1();
    
    }

运行结果：

> x=10, &x=0x7ffeef42988c
> 
> y=20, &y=0x7ffeef429888
> 
> p=0x7ffeef42988c, &p=0x7ffeef429880
> 
> q=0x7ffcd2c05990, &q=0x7ffeed011878
> 
> /\*1.初始化数据段\*/
> 
> m=1024, &m=0x1007de010
> 
> n=2048, &n=0x1007de014
> 
> /\*2.非初始化数据段\*/
> 
> arr\[0\]=0,&arr\[0\]=0x1007de020
> 
> &arr=0x1007de020
> 
> /\*3.静态存储，初始化数据段\*/
> 
> MAX=256, &MAX=0x1007de018
> 
> MIN=2048, &MIN=0x1007de01c

可以看出：

1）m,n,arr,arr,MAX,MIN的地址挨着，但和前面的栈中分配的x,y,p， 以及malloc分配的堆中的内存地址，都相隔甚远；

2）其实，m,n,arr,arr,MAX,MIN这些变量，对于系统在具体分配内存的时候，并无差别。虽然我们从逻辑上将其分成了初始化数据段中，非初始化数据段中，以及静态存储的初始化数据段。

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内存分配malloc，千万别忘了free。

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