C语言深度解剖读书笔记(5.内存管理的艺术)

本节知识点：

1.栈的知识(我觉得栈是本节很头疼的一个问题)：

对于栈的问题，首先我们通过几个不同的角度来看(因为思维有些小乱所以我们通过分总的形式进行阐述)：

a.sp堆栈指针，相信学过51单片机，学过arm裸机的人都知道这个堆栈指针。我们现在从51单片机的角度来看这个堆栈指针寄存器。这个堆栈指针的目的是什么？是用来保护现场(子函数的调用)和保护断点(中断的处理)的，所以在处理中断前，调用子函数前，都应该把现场和返回地址压入栈中。而且堆栈还会用于一些临时数据的存放。51中的sp指针再单片机复位的时候初值为0x07。常常我们会把这个sp指针指向0x30处，因为0x30~0x7f是用户RAM区(专门为堆栈准备的存储区)。然后要引入一个栈顶和栈底的概念。栈操作的一段叫栈顶(这里是sp指针移动的那个位置，sp也叫栈顶指针)，sp指针被赋初值的那个地址叫栈底(这里是0x30是栈底，因为栈顶永远会只在0x30栈底的一侧进行移动，不会在两层移动)。而且51单片机的sp是向上增长的，叫做向上增长型堆栈(栈顶指针sp向高地址处进行增长)。因为PUSH压栈操作，是sp指针先加1(指向的地址就增大一个)，再压入一个字节，POP弹出操作，先弹出一个字节，sp再减1(指向的地址就减少一个)。看PUSH和POP的过程，可见是一个满堆栈(满堆栈的介绍在后面)。小结一下：51的堆栈是一个向上增长型的满堆栈。

b.对于arm来说，大量的分析过程都与上面相同。只是堆栈不再仅仅局限于处理中断了，而是处理异常。arm的堆栈有四种增长方式(具体见d)。注意：在arm写裸机的时候，那个ldr sp, =8*1024 其实是在初始化栈底。sp是栈顶指针，当没有使用堆栈的时候，栈顶指针是指向栈底的。当数据来的时候，每次都是从栈顶进入的(因为栈的操作入口在栈顶)，然后sp栈顶指针指向栈顶，慢慢远离栈底。说这些是想好好理解下什么是栈顶，什么是栈底。

c.对于8086来说，它的栈的生长方向也是从高地址到低地址，每次栈操作都是以字(两个字节)为单位的。压栈的时候，sp先减2，出栈的时候，sp再加2。可见8086的堆栈是一个向下增长型的满堆栈。

d.总结下：

(1).当堆栈指针sp指向，最后一个压入堆栈的数据的时候，叫满堆栈。

(2).当堆栈指针sp指向，下一个要放入数据的空位置的时候，叫空堆栈。如下图：

(3).当堆栈由低地址向高地址生长的时候，叫向上生长型堆栈即递增堆栈。

(4).当堆栈由高地址向低地址生长的时候，叫向下生长型堆栈即递减堆栈。如图：

(5). 所以说arm堆栈支持四种增长方式：满递减栈(常用的ARM，Thumb c/c++编译器都使用这个方式，也就是说如果你的程序中不是纯汇编写的，有c语言就得使用这种堆栈形式)、满递增栈、空递减栈、空递增栈。这四种方式分别有各自的压栈指令，出栈指针，如下图：

e.对于裸机驱动程序(51、ARM)没有操作系统的，编译器(keil、arm-linux-gcc等)，会给sp指针寄存器一个地址。然后一切的函数调用，中断处理，这些需要的现场保护啊，数据啊都压入这个sp指向的栈空间。(arm的.s文件是自己写的，sp是自己指定的，编译器会根据这个sp寄存器的值进行压栈和出栈，但是压栈和出栈的规则是满递减栈的规则，因为arm-linux-gcc是这个方式的，所以在汇编调用c函数的时候，汇编代码必须使用满递减栈的那套压栈出栈指令)。这种没有操作系统的裸机驱动程序，只有一个栈空间，就是sp指针指向的那个栈空间。

f.对于在操作系统上面的程序，里面涉及内存管理、虚拟内存、编译原理的问题。首先说不管是linux还是windows的进程的内存空间都是独立的，linux是前3G，windows是4G，这都是虚拟内存的功劳。那编译器给程序分配的栈空间，在程序运行时也是独立的。每一个进程中的栈空间，应该都是在使用sp指针(但是在进程切换的过程中，sp指针是怎么切换的我就不清楚了，这个应该去看看操作系统原理类的书)Ps：对于x86的32位机来说不再是sp和bp指针了，而是esp和ebp两个指针。有人说程序中的栈是怎么生长的，是由编译器决定的，有人说是由操作系统决定的！！！我觉得都不对，应该是由硬件决定的，因为cpu已经决定了sp指针的压栈出栈方式。只要你操作系统在进程运行的过程中，使用的这个栈是sp栈指针指向的(即使用了sp指针)，而不是自己定义的一块内存(与sp指针无关的话) Ps：实际中进程使用的是esp和ebp两个指针，这里仅仅用sp是想说明那个意思而已！ 操作系统使用的栈空间就必须符合sp指针的压栈和出栈方式，也就是遵循了cpu决定的栈的生长方式。编译器要想编译出能在这个操作系统平台上使用的程序，也必须要遵守这个规则，所以来看这个栈的生长方式是由cpu决定的。这也是为什么我用那么长的篇幅来解释sp指针是怎么工作的原因！

g.要记住，由于操作系统有虚拟内存这个东东，所以不要再纠结编译器分配的空间在操作系统中，进程执行的时候空间是怎么用的了。编译器分配的是什么地址，进程中使用这个变量的虚拟地址就是什么！是对应的。当然有的时候，编译器也会耍些小聪明。不同编译器对栈空间上的变量分配的地址可能不一样，但方向一定是一样的(因为这个方向是cpu决定，编译器是无权决定的，是sp指针压栈的方向)，如图：

图1和图2的共同点是：都是从高地址处到低地址处，因为sp指针把A、B、C变量压入栈的方向就是从高到低地址的。这个是什么编译器都不会变的。

图1和图2的不同点是：图2进行了编译器的小聪明，它在给A，B，C开辟空间的时候，不是连续开辟的空间，有空闲(其实依然进行了压栈操作只是压入的是0或者是ff)，这样变量直接有间隙就避免了，数组越界，内存越界造成的问题。切记在获取A、B、C变量的时候，不是通过sp指针，而是通过变量的地址获得的啊，sp只负责把他们压入栈中，即给他们分配内存。

h.说了那么多栈的原理，现在我们说说栈在函数中究竟起到什么作用：保存活动记录！！！如图：

注意：活动记录是什么上面的这个图已经说的很清楚了，如果再调用函数，这个活动记录会变成什么样呢？会在这个活动记录后面继续添加活动记录(这个活动记录是子函数的活动记录)，增加栈空间，当子函数结束后，子函数的活动记录清除，栈空间继续回到上图状态！

Ps：活动记录如下：

i.函数的调用行为：

函数的调用行为中有一个很重要的东西，叫做调用约定。调用约定包含两个约定。

第一个是：参数的传递顺序(这个不是固定的，是在编译器中约定好的)，从左到右依次入栈：__stdcall、__cdecl、__thiscall (这些指令，直接写在函数名的前面就可以，但是跟编译器有点关系，可能会有的编译器不支持会报错)

从右到左依次入栈：__pascal、__fastcall

第二个是：堆栈的清理(这段代码也是编译器自己添加上的)：调用者清理

被调用者函数返回后清理

注意：一般我们都在同一个编译器下编译不会出这个问题。 但是如果是调用动态链接库，恰巧编译动态链接库的编译器跟你的编译器的默认约定不一样，那就惨了！！！或者说如果动态链接库的编写语言跟你的语言都不一样呢？

j.这里要声明一个问题：就是栈的增长方向是固定的，是cpu决定的。但是不代表说你定义的局部变量也一定是先定义的在高地址，后定义的在低地址，局部变量之间都是连续的(这个在上面已经说过了是编译器决定的)，还有就是栈的增长方向也决定不了参数的传递顺序(这个是调用约定，通过编译器的手处理的)。下面让我们探索下再dev c++中，局部变量的地址问题。

#include <stdio.h>

void fun()
{
	int a;
	int b;
	int c;
	printf("funa  %p\n",&a);
	printf("funb  %p\n",&b);
	printf("func  %p\n",&c);
}
void main()
{
	int a;
	int b;
	int c;
	int d;
	int e;
	int f;
	int p[100];
	
	printf("a  %p\n",&a);
	printf("b  %p\n",&b);
	printf("c  %p\n",&c);
	printf("d  %p\n",&d);
	printf("e  %p\n",&e);
	printf("f  %p\n",&f);
	printf("p0    %p\n",&p[0]);
	printf("p1    %p\n",&p[1]);
	printf("p2    %p\n",&p[2]);
	printf("p3    %p\n",&p[3]);
	printf("p4    %p\n",&p[4]);
					
	printf("p10    %p\n",&p[10]);
	printf("p20    %p\n",&p[20]);
	printf("p30    %p\n",&p[30]);
	printf("p80    %p\n",&p[80]);
	printf("p90    %p\n",&p[90]);
	printf("p100    %p\n",&p[100]);
				
	
	fun();
	
}

运行结果如下(不同编译器的运行结果是不一样的)：

通过上面的运行结果，可以分析得出：在同一个函数中，先定义的变量在高地址处，后定义的变量在低地址处，且他们的地址是相连的中间没有空隙。定义的数组是下标大的在高地址处，下标小的在低地址处(由此可以推断出malloc开辟出的推空间，也应该是下标大的在高地址处，下标小的在低地址处)。子函数中的变量，跟父函数中的变量的地址之间有很大的一块空间，这块空间应该是两个函数的其他活动记录，且父函数中变量在高地址处，子函数中的变量在低地址处。

k.下面来一个栈空间数组越界的问题，让大家理解一下，越界的危害，代码如下(猜猜输出结构)：

#include<stdio.h>
/*这是一个死循环*/
/*这里面有数组越界的问题*/
/*有栈空间分配的问题*/
int main()
{
	
	int i;
//	int c;
	int a[5];
	int c;
	printf("i %p,a[5] %p\n",&i,&a[5]); //观察栈空间是怎么分配的  这跟编译器有关系的
	printf("c %p,a[0] %p\n",&c,&a[0]);
	for(i=0;i<=5;i++)
	{
		a[i]=-i;
		printf("%d,%d",a[i],i);
	}
	return 1;
}

注意：不同编译器可能结果不一样，比如说vs2008就不会死循环，那是因为vs2008耍了我上面说的那个小聪明(就是局部变量和数组直接有间隙不是相连的，就避开了越界问题，但是如果越界多了也不行)，建议在vc6和dev c++中编译看结果。
l.最后说说数据结构中的栈，其实数据结构中的栈就是一个线性表，且这个线性表只有一个入口和出口叫做栈顶，还是LIFO(后进先出的)结构而已。

对栈的总结：之前就说过了那么多种栈的细节，现在在宏观的角度来看，其实栈就是一种线性的后进先出的结构，只是不同场合用处不同而已！

2.堆空间：堆空间弥补了栈空间在函数返回后，内存就不能使用的缺陷。是需要程序员自行跟操作系统申请的。

3.静态存储区：程序在编译期，静态存储区的大小就确定了

4.对于程序中的内存分布：请看这篇文章<c语言中的内存布局>

5.对于内存对齐的问题：请看这篇文章<C语言深度解剖读书笔记(3.结构体中内存对齐问题)>

6.使用内存的好习惯：

a.定义指针变量的时候，最好是初始化为NULL，用完指针后，最好也赋值为NULL。

b.在函数中使用指针尽可能的，去检测指针的有效性

c.malloc分配的时候，注意判断是否分配内存成功。

d.malloc后记得free，防止内存泄漏！

e.free(p)后应该p=NULL

f.不要进行多次free

g.不要使用free后的指针

h.牢记数组的长度，防止数组越界

7.内存常见的六个问题：

a.野指针问题 ：一个指针没有指向一个合法的地址

b.为指针分配的内存太小

c.内存分配成功，但忘记初始化，memset的妙用

e.内存越界

f.内存泄漏

g.内存已经被释放 还仍然在使用(栈返回值问题)