C语言（记录）——内存相关_2:内存的编址与管理

本文是基于嵌入式的C语言

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内存编址方法
　　内存在逻辑上就是一个一个的格子，这些格子可以用来装东西（里面装的东西就是内存中存储的数），每个格子有一个编号，这个编号就是内存地址，这个内存地址（一个数字）和这个格子的空间（实质是一个空间）是一一对应且永久绑定的。这就是内存的编址方法。
　　在程序运行时，计算机中CPU实际只认识内存地址，而不关心这个地址所代表的空间在哪里，怎么分布这些实体问题。因为硬件设计保证了按照这个地址就一定能找到这个格子，所以说内存单元的2个概念：地址和空间是内存单元的两个方面。

内存和数据类型的关系
C语言中的基本数据类型有：char short int long float double
int 整形（整数类型，这个整就体现在它和CPU本身的数据位宽是一样的）譬如32位的CPU，整形就是32位，int就是32位。
数据类型和内存的关系就在于：
数据类型是用来定义变量的，而这些变量需要存储、运算在内存中。所以数据类型必须和内存相匹配才能获得最好的性能，否则可能不工作或者效率低下。
比如：在32位系统中定义变量最好用int，因为这样效率高。原因就在于32位的系统本身配合内存等也是32位，这样的硬件配置天生适合定义32位的int类型变量，效率最高。也能定义8位的char类型变量或者16位的short类型变量，但是实际上访问效率不高。
再如：在很多32位环境下，我们实际定义bool类型变量（实际只需要1个bit就够了）都是用int来实现bool的。也就是说我们定义一个bool b1;时，编译器实际帮我们分配了32位的内存来存储这个bool变量b1。编译器这么做实际上浪费了31位的内存，但是好处是效率高。

内存管理

说到内存管理就要说到数据结构和堆。

最简单的数据结构——数组。当程序中有许多相同类型的数据需要同意管理时，单个的变量会显得比较臃肿和杂乱，这时候就需要数组来有效管理数据，也就是对应于内存。但很明显数组的优缺点从其使用特性中显露无遗。 优势：数组比较简单，访问用下标，可以随机访问。缺陷：1 数组中所有元素类型必须相同；2 数组大小必须定义时给出，而且一旦确定不能再改。针对数组的优缺点，结构体便隆重登场。

结构体。在管理一个或几个事物的不同属性，在数据上体现为不同的变量，这时，数组就会说“老子干不了”。结构体就是为了此种情况而生。比如，需要管理学生信息，就可以创建如下结构体，以便统一整齐管理。

　　struct student

　　{

　　　　unsigned int age;

　　　　char name[20];

　　}

栈是一种数据结构，C语言中使用栈来保存局部变量。栈是被发明出来管理内存的。其管理内存的特点是小内存、自动化。

C语言中的局部变量是用栈来实现的。
我们在C中定义一个局部变量时（int num），编译器会在栈中分配一段空间（4字节）给这个局部变量用（分配时栈顶指针会移动给出空间，给局部变量a用的意思就是，将这4字节的栈内存的内存地址和我们定义的局部变量名a给关联起来），对应栈的操作是入栈。
注意：这里栈指针的移动和内存分配是自动的（栈自己完成，不用我们写代码去操作）。
然后等我们函数退出的时候，局部变量要灭亡。对应栈的操作是弹栈（出栈）。出栈时也是栈顶指针移动将栈空间中与a关联的那4个字节空间释放。这个动作也是自动的，也不用人写代码干预。栈的小内存特点可以说是其的缺点，所以所以我们在C语言中定义局部变量时不能定义太多或者太大（譬如不能定义局部变量时 int a[10000];）。

堆（heap）是一种内存管理方式。内存管理对操作系统来说是一件非常复杂的事情，因为首先内存容量很大，其次内存需求在时间和大小块上没有规律（操作系统上运行着的几十、几百、几千个进程随时都会申请或者释放内存，申请或者释放的内存块大小随意）。
堆这种内存管理方式特点就是自由（随时申请、释放；大小块随意）。堆内存是操作系统划归给堆管理器（操作系统中的一段代码，属于操作系统的内存管理单元）来管理的，然后向使用者（用户进程）提供API（malloc和free）来使用堆内存。
我们什么时候使用堆内存？需要内存容量比较大时，需要反复使用及释放时，很多数据结构（譬如链表）的实现都要使用堆内存。
堆管理内存的特点（大块内存、手工分配&使用&释放）
1：容量不限（常规使用的需求容量都能满足）。
2：申请及释放都需要手工进行，手工进行的含义就是需要程序员写代码明确进行申请malloc及释放free。如果程序员申请内存并使用后未释放，这段内存就丢失了（在堆管理器的记录中，这段内存仍然属于你这个进程，但是进程自己又以为这段内存已经不用了，再用的时候又会去申请新的内存块，这就叫吃内存），称为内存泄漏。