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C語言深入講解棧與堆和靜態(tài)存儲區(qū)的使用

更新時(shí)間：2022年04月18日 11:14:33 作者：清風(fēng)自在流水潺潺

對大多數(shù)C 語言初學(xué)者來說，堆棧卻是一個(gè)很模糊的概念。堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)在程序運(yùn)行時(shí)用于存放的地方，相信這可能是很多初學(xué)者共同的認(rèn)識，靜態(tài)存儲區(qū)即內(nèi)存在程序編譯的時(shí)候就已經(jīng)分配好,這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在

一、程序中的棧

棧是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)程序里最為重要的概念之一
棧在程序中用于維護(hù)函數(shù)調(diào)用上下文
函數(shù)中的參數(shù)和局部變量存儲在棧上

棧保存了一個(gè)函數(shù)調(diào)用所需的維護(hù)信息

參數(shù)
返回地址
局部變量
調(diào)用上下文

二、函數(shù)的調(diào)用過程

每次函數(shù)調(diào)用都對應(yīng)著一個(gè)棧上的活動記錄

調(diào)用函數(shù)的活動記錄位于棧的中部
被調(diào)函數(shù)的活動記錄位于棧的頂部

三、函數(shù)調(diào)用的棧變化

從main() 開始運(yùn)行

main() 調(diào)用 f()

當(dāng)從 f() 調(diào)用中返回 main()

四、函數(shù)調(diào)用棧上的數(shù)據(jù)

函數(shù)調(diào)用時(shí)，對應(yīng)的?？臻g在函數(shù)返回前是專用的
函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，?？臻g將被釋放，數(shù)據(jù)不再有效

下面看一個(gè)指向棧數(shù)據(jù)的指針：

#include <stdio.h>
 
int* g()
{
    int a[10] = {0};
    return a;
}
 
void f()
{
    int i = 0;
    int b[10] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    int *pointer = g();
    
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        b[i] = pointer[i];
    }
    for(i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d\n", b[i]);
    } 
}
 
int main()
{
    f();
    return 0;
}

輸出結(jié)果如下：

如果把

        for (i = 0; i < 10; i++)

     {

          b[i] = pointer[i];

     }

注釋了，直接打印 pointer[i] 里面的數(shù)據(jù)，如下：

#include <stdio.h>
 
int* g()
{
    int a[10] = {0};
    return a;
}
 
void f()
{
    int i = 0;
    int b[10] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    int *pointer = g();
    /*
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        b[i] = pointer[i];
    }
    */
    for(i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d\n", pointer[i]);
    } 
}
 
int main()
{
    f();
    return 0;
}

輸出結(jié)果如下：

為什么直接打印 pointer[i] 里面的值會是這樣呢？因?yàn)?pointer 指向的空間是棧空間，?？臻g在 g() 函數(shù)返回之后，活動記錄就被釋放了。被釋放后調(diào)用 printf 函數(shù)，printf 函數(shù)需要在棧上面建立一個(gè)活動記錄。這個(gè)活動記錄就會有 printf 函數(shù)的參數(shù)信息和返回值等，所以 pointer 所指向的內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)由于 printf 函數(shù)的調(diào)用被改變了。因此，不能返回局部變量的地址，不能返回局部數(shù)組的數(shù)組名。

五、程序中的堆

堆是程序中一塊預(yù)留的內(nèi)存空間，可由程序自由使用
堆中被程序申請使用的內(nèi)存在被主動釋放前將一直有效

為什么有了棧還需要堆?

答：棧上的數(shù)據(jù)在函數(shù)返回后就會被釋放掉，無法傳遞到函數(shù)外部，如：局部數(shù)組

C語言程序中通過庫函數(shù)的調(diào)用獲得堆空間

頭文件：malloc.h
malloc -- 以字節(jié)的方式動態(tài)申請堆空間
free -- 將堆空間歸還給系統(tǒng)

系統(tǒng)對堆空間的管理方式

空閑鏈表法，位圖法，對象池法等等

以 int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); 為例，要申請 4 個(gè)字節(jié)的大小，遍歷之后發(fā)現(xiàn)跟 5 Bytes 這個(gè)節(jié)點(diǎn)最接近，找到一個(gè)可以用的單元之后，就將這個(gè)單元的地址返還給了 p 指針。以前也提過使用 malloc 申請內(nèi)存空間時(shí)返回的內(nèi)存空間可能比申請的實(shí)際內(nèi)存空間要大一點(diǎn)點(diǎn)，原因就是在空閑鏈表管理堆空間這樣的系統(tǒng)里面，它會找最近的那個(gè)，找到后的一般都大于等于所需要的內(nèi)存空間，假如 5 Bytes 這個(gè)節(jié)點(diǎn)下所有的空閑內(nèi)存單元都用完的話，就會找 12 Bytes 節(jié)點(diǎn)下的內(nèi)存單元，這樣malloc 返回的內(nèi)存空間就有可能比自己實(shí)際申請的內(nèi)存空間要大。

六、程序中的靜態(tài)存儲區(qū)

靜態(tài)存儲區(qū)隨著程序的運(yùn)行而分配空間
靜態(tài)存儲區(qū)的生命周期直到程序運(yùn)行結(jié)束
在程序的編譯期靜態(tài)存儲區(qū)的大小就已經(jīng)確定
靜態(tài)存儲區(qū)主要用于保存全局變量和靜態(tài)局部變量
靜態(tài)存儲區(qū)的信息最終會保存到可執(zhí)行程序中

下面看一個(gè)靜態(tài)存儲區(qū)的驗(yàn)證代碼：

#include <stdio.h>
 
int g_v = 1;
 
static int g_vs  = 2;
 
void f()
{
    static int g_vl = 3;
    
    printf("%p\n", &g_vl);
}
 
int main()
{
    printf("%p\n", &g_v);
    
    printf("%p\n", &g_vs);
    
    f();
    
    return 0;
}

輸出結(jié)果如下：