C语言内存模型相关

内存模型

内存中运行着很多程序，我们的程序只占用一部分空间，这部分空间又可以细分为以下的区域：

内存分区	说明
程序代码区(code area)	存放函数体的二进制代码
静态数据区(data area)	也称全局数据区，包含的数据类型比较多，如全局变量、静态变量、一般常量、字符串常量。 其中： 全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。常量数据（一般常量、字符串常量）存放在另一个区域。 注意：静态数据区的内存在程序结束后由操作系统释放。
堆区(heap area)	一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。malloc()、calloc()、free() 等函数操作的就是这块内存，这也是本章要讲解的重点。 注意：这里所说的堆区与数据结构中的堆不是一个概念，堆区的分配方式倒是类似于链表。
栈区(stack area)	由系统自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
命令行参数区	存放命令行参数和环境变量的值，如通过main()函数传递的值。

参考：永远的UNIX 高质量C++-C编程指南 – 第7章 内存管理 (1)

7.4指针参数是如何传递内存的？

如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。示例7-4-1中，Test函数
的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存，str依旧是NULL，为什么？

void GetMemory(char *p, int num)
{
    p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(str, 100);    // str 仍然为 NULL
    strcpy(str, "hello");   // 运行错误
}

示例7-4-1 试图用指针参数申请动态内存

毛病出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数p的副本是 _p，编译器使 _p =p。如果函数体内的程序修改了_p的内容，就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p申请了新的内存，只是把_p所指的内存地址改变了，但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory就会泄露一块内存，因为没有用free释放内存。
如果非得要用指针参数去申请内存，那么应该改用“指向指针的指针”，见示例7-4-2。

void GetMemory2(char **p, int num)
{
    *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str
    strcpy(str, "hello");  
    cout<< str << endl;
    free(str);
}

示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存

由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见示例7-4-3。

char *GetMemory3(int num)
{
    char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
    return p;
}
void Test3(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetMemory3(100);
    strcpy(str, "hello");
    cout<< str << endl;
    free(str);
}

示例7-4-3 用函数返回值来传递动态内存

用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向“栈内存”的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡，见示例7-4-4。

char *GetString(void)
{
    char p[] = "hello world";
    return p;   // 编译器将提出警告
}
void Test4(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString(); // str 的内容是垃圾
cout<< str << endl;
}

示例7-4-4 return语句返回指向“栈内存”的指针

用调试器逐步跟踪Test4，发现执行str = GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“hello world”而是垃圾。
如果把示例7-4-4改写成示例7-4-5，会怎么样？

char *GetString2(void)
{
    char *p = "hello world";
    return p;
}
void Test5(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetString2();
    cout<< str << endl;
}

示例7-4-5 return语句返回常量字符串

函数Test5运行虽然不会出错，但是函数GetString2的设计概念却是错误的。因为GetString2内的“hello world”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。
14.函数参数的传递分为：值传送和引用（指针）传送。前者将变量的复本传给函数的形参，形参的改变不会引起变量原值得改变；后者将变量的地址传给形参，形参的改变将引起变量的改变。

extern

注意：未初始化的全局变量的默认值是 0，而未初始化的局部变量的值却是垃圾值（任意值）。
在所有的代码块（函数、if 块、switch 块等）之外定义的变量称为全局变量，它的作用范围默认是整个程序，也就是所有的源文件，包括 .c 和 .h 文件。
如果你一直在编写单个 .c 文件的程序，那么请注意，全局变量的作用范围不是从变量定义处到该文件结束，在其他文件中也有效。
虽然全局变量的作用范围是整个程序，但是如果希望在 a.c 中使用 b.c 中的变量，也必须先进行声明。声明使用 extern 关键字，与其他变量不同，extern 变量有声明和定义之分。
extern 变量的定义格式为：

extern type name = value;

不过 extern 可以省略（我们通常就是这么做的），全局变量默认就是 extern 的.
声明格式为：

extern type name;

注意：

• 在定义 extern 变量时不能省略 value，否则就变成了变量声明。
• 声明 extern 变量时要指明数据类型（必须和定义时的数据类型一致）。
• 声明可以有多次，定义只能有一次。

但是，函数和变量的声明有所不同，对于函数，你可以省略 extern。这是因为，函数的定义和声明区别很明显，有函数体就是定义，没有函数体就是声明，所以有没有 extern 都是函数声明。但是变量不一样，没有 extern 就是变量定义，重复定义是错误的。

static

static 声明的变量称为静态变量，不管是全局变量还是局部变量，都存储在静态数据区（全局变量本来就存储在静态数据区，即使不加 static）。
静态数据区的数据在程序启动时就会初始化，直到程序运行结束；对于代码块中的静态局部变量，即使代码块执行结束，也不会销毁。
注意：静态数据区的变量只能初始化（定义）一次，以后只能改变它的值，不能再被初始化，即使有这样的语句，也无效。
总结起来，static 变量的主要作用有两个：
1. 程序有多个源文件时，将全局变量或函数的作用范围限制在当前文件，对其他文件隐藏。
2. 保持变量内容的持久化将局部变量存储到静态数据区。静态数据区的内存在程序启动时就已分配好（内存中所有的字节默认值都是0x00），直到程序运行结束。