C语言的内存知识_c语言程序内存空间结构存储

这节我们主要认识一下内存，便于理解指针操作和后续内存管理。

一、内存分区模型

C程序在执行时，将内存大方向划分为4个区域

（可以结合函数小节的函数栈帧部分看一下）

⚪ 代码区:存放函数体的二进制代码，由操作系统进行管理

⚪ 全局区:存放全局变量和静态变量以及常量

⚪ 堆区:由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量等

⚪ 栈区:由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收

 内存分区的意义：不同区域存放的数据，赋予不同的生命周期，给我们更大的灵活编程。

 1.程序运行前

在程序编译后，生成了exe可执行程序，未执行该程序前分为两个区域

代码区（代码段）：

存放CPU执行的机器指令

代码区是共享的，共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可。

代码区是只读的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令

全局区（数据段） ：

全局变量和静态变量存放在此。

全局区还包含了常量区，字符串常量和其它常量也存放在此。

该区域地数据在程序结束后由操作系统释放。

全局区：全局变量与静态局部变量

int a;//全局变量-全局区
 
int main()
{
    static int b;//静态局部变量-全局区
    return 0;
}

静态修饰符static 修饰地全局变量只能在本文件内使用，外部文件无法通过extern解析调用，无修饰地全局变量才是真正意义上的全局变量，本程序地其它文件可以通过extern调用。

 2.程序运行后

栈区：

由编译器自动分配/释放内存，存放函数参数和局部变量。

注意：函数不要返回局部变量的地址，栈区开辟的空间由编译器自动释放掉了

int* func()
{
    int b=10;
    return &b;
}
 
int main()
{
    int *p=func();
 
    printf("%p\n",p);
    printf("%p\n",p);
 
    p=NULL;
    return 0;
}

第一次打印会有结果，是因为编译器做了保留。但无论第几次，都已经是非法操作内存。不要这样操作。（函数运行过程参考函数节函数栈帧部分）

堆区：

由程序员分配释放，如果程序员不释放，当程序结束后由操作系统自动回收。

在C语言主要通过malloc()函数分配堆内存，free()函数释放内存

在C++中主要通过new关键字在堆区开辟内存。

int* func()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
	*p = 10;
	return p;
}
 
int main()
{
	int* p = func();
	printf("%d\n", *p);//输出： 10 
	return 0;
}

 指针p指向的内存如果没有被程序员释放，那么程序运行时这个内存就会一直存在。所以根据地址可以找到该块内存。只要没有释放内存，打印几次都不会非法访问。

二、数据在内存中的存储

1.整数在内存中的存储

（回看操作符小节）在讲解操作符的时候，我们就讲过了二进制的相关内容，计算机的数据全部是以二进制形式存储。对于整型来说，数据存放内存中其实存放的就是补码。为什么呢？

在计算机系统中，数值⼀律⽤补码来表⽰和存储。

原因在于，使⽤补码，可以将符号位和数值域统⼀处理；

同时，加法和减法也可以统⼀处理（CPU只有加法器）此外，补码与原码相互转换，其运算过程是相同的，不需要额外的硬件电路。

2.浮点数在内存中的存储

常见的浮点数：3.14159、1e10等，浮点数家族包括float、double、long double。浮点数表示的范围：float.h中定义。

看看下面这段代码输出什么？

int main()
{
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值为：%d\n", n);
	printf("*pFloat的值为：%f\n", *pFloat);
	return 0;
}

 上面这段代码中，n和*pFloat在内存中明明是同一个数，为什么浮点数和整数解读的差别这么大？

要理解这个结果，一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。

根据国际标准IEEE(电气电子工程师学会)754，任意一个浮点数V都可以表示成以下形式：

V   =  (−1) ^S ∗ M ∗ 2^E

1. ( -1 )^S 代表符号位，当S=0时，代表正数；S=1时，代表负数

2.      M    代表有效数字，范围是[1 , 2)

3.    2^E   代表指数位

eg.十进制的5.0，写成二进制就是101.0，相当于1.01 × 2^2。那么，按照上⾯V的格式，可以得出S=0，M=1.01，E=2。

eg.十进制的-5.0，写成二进制就是-101.0，相当于-1.01 × 2^2。那么，按照上面V的格式，可以得出 S=1，M=1.01， E=2。

IEEE 754规定：

对于32位的浮点数，最⾼的1位存储符号位S，接着的8位存储指数E，剩下的23位存储有效数字M

对于64位的浮点数，最⾼的1位存储符号位S，接着的11位存储指数E，剩下的52位存储有效数字M

存的过程： 

 IEEE 754 对有效数字M和指数E，还有⼀些特别规定。

前⾯说过， 1≤M<2 ，也就是说，M可以写成 1.xxxxxx 的形式，其中 xxxxxx 表⽰⼩数部分。

IEEE 754 规定，在计算机内部保存M时，默认这个数的第⼀位总是1，因此可以被舍去，只保存后⾯的 xxxxxx部分。⽐如保存1.01的时候，只保存01，等到读取的时候，再把第⼀位的1加上去。这样做的⽬ 的，是节省1位有效数字。以32位浮点数为例，留给M只有23位，将第⼀位的1舍去以后，等于可以保 存24位有效数字。

E为一个无符号整型，这意味着，如果E为8位，它的取值范围为0~255；如果E为11位，它的取值范围为0~2047。但是，我 们知道，科学计数法中的E是可以出现负数的，所以IEEE 754规定，存⼊内存时E的真实值必须再加上⼀个中间数，对于8位的E，这个中间数是127；对于11位的E，这个中间数是1023。⽐如，2^10的E是10，所以保存成32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即10001001。

取的过程：

1.E不全为0或不全为1
这时，浮点数就采⽤下⾯的规则表⽰，即指数E的计算值减去127（或1023），得到真实值，再将有效数字M前加上第⼀位的1。⽐如：0.5 的⼆进制形式为0.1，由于规定正数部分必须为1，即将⼩数点右移1位，则为1.0*2^(-1)，其阶码为-1+127(中间值)=126，表⽰为01111110，⽽尾数1.0去掉整数部分为0，补⻬0到23位00000000000000000000000，则其⼆进制表⽰形式为:  

0 01111110 00000000000000000000000

2.E全为0

这时，浮点数的指数E等于1-127（或者1-1023）即为真实值，有效数字M不再加上第⼀位的1，⽽是还 原为0.xxxxxx的⼩数。这样做是为了表⽰±0，以及接近于0的很⼩的数字。

0 00000000 00100000000000000000000

3.E全为1

这时，如果有效数字M全为0，表⽰±⽆穷⼤（正负取决于符号位s）

0 11111111 00010000000000000000000

3.大小端字节序和字节序判断

什么是大小端？

为什么会有大小端？

//返回1，就是小端存储；返回0，就是大端存储
//方法一
int check_sys()
{
    int i=1;
    return (*(char *)&i);
}
//方法二
int check_sys()
{
    union
    {
        int i;
        char c;
    }un;
 
    un.i=1;
    reuturn un.c;
}

void * memcpy(void* destination, const void* source, size_t num);

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int arr2[10] = { 0 };
    memcpy(arr2, arr1, 20);
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr2[i]);//等价于printf("%d ",arr1[i]);
    }
    return 0;
}

void * memmove ( void * destination, const void * source, size_t num );

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
    int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    memmove(arr1+2, arr1, 20);
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr1[i]); //输出： 1 2 1 2 3 4 5 8 9 10
    }
    return 0;
}

 void * memset ( void * ptr, int value, size_t num );

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main ()
{
    char str[] = "hello world";
    memset (str,'x',6);
    printf(str);   //输出： xxxxxxworld!
    return 0;
}

int memcmp ( const void * ptr1, const void * ptr2, size_t num );