C語言內存分配問題
1、C中內存分爲四個區
棧：用來存放函數的形參和函數內的局部變量。由編譯器分配空間，在函數執行完後由編譯器自動釋放。
堆：用來存放由動態分配函數（如malloc）分配的空間。是由程序員自己手動分配的，並且必須由程序員使用free釋放。如果忘記用free釋放，會導致所分配的空間一直佔着不放，導致內存泄露。
全局局：用來存放全局變量和靜態變量。存在於程序的整個運行期間，是由編譯器分配和釋放的。
文字常量區：例如char *c = “123456”；則”123456”爲文字常量，存放於文字常量區。也由編譯器控制分配和釋放。
程序代碼區：用來存放程序的二進制代碼。
例子(一)
int a = 0; //全局區
void main()
{
int b; //棧
char s[] = abc; //s在棧,abc在文字常量區
char *p1,*p2; //棧
char *p3 = 123456; //123456在常量區，p3在棧上
static int c =0; //全局區
p1 = (char *)malloc(10); //p1在棧，分配的10字節在堆
p2 = (char *)malloc(20); //p2在棧，分配的20字節在堆
strcpy(p1, 123456); //123456放在常量區
}
例子(二)
//返回char型指針
char *f()
{
//s數組存放於棧上
char s[4] = {'1','2','3','0'};
return s; //返回s數組的地址，但程序運行完s數組就被釋放了
}
void main()
{
char *s;
s = f();
printf (%s, s); //打印出來亂碼。因爲s所指向地址已經沒有數據
}
2、動態分配釋放內存
用malloc動態分配內存後一定要判斷一下分配是否成功，判斷指針的值是否爲NULL。
內存分配成功後要對內存單元進行初始化。
內存分配成功且初始化後使用時別越界了。
內存使用完後要用free（p）釋放，注意，釋放後，p的值是不會變的，仍然是一個地址值，仍然指向那塊內存區，只是這塊內存區的值變成垃圾了。爲了防止後面繼續使用這塊內存，應在free(p)後，立即p=NULL，這樣後面如果要使用，判斷p是否爲NULL時就會判斷出來。
NO.1
void GetMemory(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str,hello world);
printf(str);
}
請問運行Test函數後會是什麼樣的結果？
NO.2
char *GetMemory(void)
{
char p[] = hello world;
retrun p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
問題同NO.1
NO.3
void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str,100);
strcpy(str,hello);
printf(str);
}
問題同NO.1
NO.4
void Test(void)
{
char *str = (char *)malloc(100);
strcpy(str,hello);
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str,world);
printf(str);
}
}
問題同NO.1
我對以上問題的分析：
NO.1：程序首先申請一個char類型的指針str,並把str指向NULL（即str裏存的是NULL的地址，*str爲NULL中的值爲０），調用函數的過程中做了如下動作：１申請一個char 類型的指針p，２把str的內容copy到了p裏（這是參數傳遞過程中系統所做的）,3爲p指針申請了100個空間，４返回Test函數．最後程序把字符串hello world拷貝到str指向的內存空間裏．到這裏錯誤出現了！str的空間始終爲NULL而並沒有實際的空間．深刻理解函數調用的第2步，將不難發現問題所在！（建議：畫圖理解）
NO.2：程序首先申請一個char類型的指針str,並把str指向NULL．調用函數的過程中做了如下動作：１申請一數組p[]並將其賦值爲hello world(數組的空間大小爲12)，２返回數組名p付給str指針（即返回了數組的首地址）．那麼這樣就可以打印出字符串＂hello world＂了麼？當然是不能的！因爲在函數調用的時候漏掉了最後一步．也就是在第２步return數組名後，函數調用還要進行一步操作，也就是釋放內存空間．當一個函數被調用結束後它會釋放掉它裏面所有的變量所佔用的空間．所以數組空間被釋放掉了，也就是說str所指向的內容將不確定是什麼東西．
NO.3：正確答案爲可以打印出hello．但內存泄漏了！
NO.4：申請空間，拷貝字符串，釋放空間．前三步操作都沒有任何問題．到if語句裏的判斷條件開始出錯了，因爲一個指針被釋放之後其內容並不是NULL，而是一個不確定的值．所以if語句永遠都不能被執行．這也是著名的＂野＂指針問題．所以我們在編寫程序釋放一個指針之後一定要人爲的將指針付成NULL．這樣就會避免出現＂野＂指針的出現．有人說＂野＂指針很可怕，會帶來意想不到的錯誤．
C語言內存對齊
C99規定int、unsigned int和bool可以作爲位域類型，但編譯器幾乎都對此作了擴展，允許其它類型類型的存在。
使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大致規則爲：
1) 如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小於類型的sizeof大小，則後面的字段將緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納爲止；
2) 如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大於類型的sizeof大小，則後面的字段將從新的存儲單元開始，其偏移量爲其類型大小的整數倍；
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6採取不壓縮方式，Dev-C++採取壓縮方式；
4) 如果位域字段之間穿插着非位域字段，則不進行壓縮；
5) 整個結構體的總大小爲最寬基本類型成員大小的整數倍。
還是讓我們來看看例子。
示例1：
struct BF1
{
char f1 : 3;
char f2 : 4;
char f3 : 5;
};
其內存佈局爲：
|_f1__|__f2__|_|____f3___|____|
|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|
0 3 7 8 1316
位域類型爲char，第1個字節僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個字節中，而f3只能從下一個字節開始。因此sizeof(BF1)的結果爲2。
示例2：
struct BF2
{
char f1 : 3;
short f2 : 4;
char f3 : 5;
};
由於相鄰位域類型不同，在VC6中其sizeof爲6，在Dev-C++中爲2。
示例3：
struct BF3
{
char f1 : 3;
char f2;
char f3 : 5;
};
什麼是內存對齊
考慮下面的結構：
struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
假設這個結構的成員在內存中是緊湊排列的，假設c1的地址是0，那麼s的地址就應該是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。
可是，我們在Visual c/c++ 6中寫一個簡單的程序：
struct foo a;
printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
運行，輸出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
爲什麼會這樣？這就是內存對齊而導致的問題。
爲什麼會有內存對齊
以下內容節選自《Intel Architecture 32 Manual》。
字，雙字，和四字在自然邊界上不需要在內存中對齊。（對字，雙字，和四字來說，自然邊界分別是偶數地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
無論如何，爲了提高程序的性能，數據結構（尤其是棧）應該儘可能地在自然邊界上對齊。原因在於，爲了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；然而，對齊的內存訪問僅需要一次訪問。
一個字或雙字操作數跨越了4字節邊界，或者一個四字操作數跨越了8字節邊界，被認爲是未對齊的，從而需要兩次總線週期來訪問內存。一個字起始地址是奇數但卻沒有跨越字邊界被認爲是對齊的，能夠在一個總線週期中被訪問。
某些操作雙四字的指令需要內存操作數在自然邊界上對齊。如果操作數沒有對齊，這些指令將會產生一個通用保護異常（#GP）。雙四字的自然邊界是能夠被16整除的地址。其他的操作雙四字的指令允許未對齊的訪問（不會產生通用保護異常），然而，需要額外的內存總線週期來訪問內存中未對齊的數據。
編譯器對內存對齊的處理
缺省情況下，c/c++編譯器默認將結構、棧中的成員數據進行內存對齊。因此，上面的程序輸出就變成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
編譯器將未對齊的成員向後移，將每一個都成員對齊到自然邊界上，從而也導致了整個結構的尺寸變大。儘管會犧牲一點空間（成員之間有空洞），但提高了性能。
也正是這個原因，我們不可以斷言sizeof(foo) == 8。在這個例子中，sizeof(foo) == 12。
如何避免內存對齊的影響
那麼，能不能既達到提高性能的目的，又能節約一點空間呢？有一點小技巧可以使用。比如我們可以將上面的結構改成：
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
這樣一來，每個成員都對齊在其自然邊界上，從而避免了編譯器自動對齊。在這個例子中，sizeof(bar) == 8。
這個技巧有一個重要的作用，尤其是這個結構作爲API的一部分提供給第三方開發使用的時候。第三方開發者可能將編譯器的默認對齊選項改變，從而造成這個結構在你的發行的DLL中使用某種對齊方式，而在第三方開發者哪裏卻使用另外一種對齊方式。這將會導致重大問題。
比如，foo結構，我們的DLL使用默認對齊選項，對齊爲
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同時sizeof(foo) == 12。
而第三方將對齊選項關閉，導致
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同時sizeof(foo) == 8。
如何使用c/c++中的對齊選項
vc6中的編譯選項有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字節邊界對齊，相應的，/Zpn表示以n字節邊界對齊。n字節邊界對齊的意思是說，一個成員的地址必須安排在成員的尺寸的整數倍地址上或者是n的整數倍地址上，取它們中的最小值。也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
實際上，1字節邊界對齊也就表示了結構成員之間沒有空洞。
/Zpn選項是應用於整個工程的，影響所有的參與編譯的結構。
要使用這個選項，可以在vc6中打開工程屬性頁，c/c++頁，選擇Code Generation分類，在Struct member alignment可以選擇。
要專門針對某些結構定義使用對齊選項，可以使用#pragma pack編譯指令。指令語法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n )
意義和/Zpn選項相同。比如：
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()
棧內存對齊
我們可以觀察到，在vc6中棧的對齊方式不受結構成員對齊選項的影響。（本來就是兩碼事）。它總是保持對齊，而且對齊在4字節邊界上。
驗證代碼
#include <stdio.h>
struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()
int main(int argc, char* argv[])
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
struct foo a;
struct bar b;
struct foo_pack p;
printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
(unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);
printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p/n",
(unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);
printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
(unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);
printf("sizeof foo is %d/n", sizeof(foo));
printf("sizeof bar is %d/n", sizeof(bar));
printf("sizeof foo_pack is %d/n", sizeof(foo_pack));
return 0;
}