C语言与C++内存管理超详细分析

一、内存

在计算机中，每个应用程序之间的内存是相互独立的，通常情况下应用程序 A 并不能访问应用程序 B，当然一些特殊技巧可以访问，但此文并不详细进行说明。例如在计算机中，一个视频播放程序与一个浏览器程序，它们的内存并不能访问，每个程序所拥有的内存是分区进行管理的。

在计算机系统中，运行程序 A 将会在内存中开辟程序 A 的内存区域 1，运行程序 B 将会在内存中开辟程序 B 的内存区域 2，内存区域 1 与内存区域 2 之间逻辑分隔。

1.1 内存四区

在程序 A 开辟的内存区域 1 会被分为几个区域，这就是内存四区，内存四区分为栈区、堆区、数据区与代码区。

栈区指的是存储一些临时变量的区域，临时变量包括了局部变量、返回值、参数、返回地址等，当这些变量超出了当前作用域时将会自动弹出。该栈的最大存储是有大小的，该值固定，超过该大小将会造成栈溢出。

堆区指的是一个比较大的内存空间，主要用于对动态内存的分配；在程序开发中一般是开发人员进行分配与释放，若在程序结束时都未释放，系统将会自动进行回收。

数据区指的是主要存放全局变量、常量和静态变量的区域，数据区又可以进行划分，分为全局区与静态区。全局变量与静态变量将会存放至该区域。

代码区就比较好理解了，主要是存储可执行代码，该区域的属性是只读的。

1.2 使用代码证实内存四区的底层结构

由于栈区与堆区的底层结构比较直观的表现，在此使用代码只演示这两个概念。首先查看代码观察栈区的内存地址分配情况：

运行结果为：

我们可以观察到变量 a 的地址是 2293324 变量 b 的地址是 2293320，由于 int 的数据大小为 4 所以两者之间间隔为 4；再查看变量 c，我们发现变量 c 的地址为 2293319，与变量 b 的地址 2293324 间隔 1，因为 c 的数据类型为 char，类型大小为 1。在此我们观察发现，明明我创建变量的时候顺序是 a 到 b 再到 c，为什么它们之间的地址不是增加而是减少呢？那是因为栈区的一种数据存储结构为先进后出，如图：

首先栈的顶部为地址的“最小”索引，随后往下依次增大，但是由于堆栈的特殊存储结构，我们将变量 a 先进行存储，那么它的一个索引地址将会是最大的，随后依次减少；第二次存储的值是 b，该值的地址索引比 a 小，由于 int 的数据大小为 4，所以在 a 地址为 2293324 的基础上往上减少 4 为 2293320，在存储 c 的时候为 char，大小为 1，则地址为 2293319。由于 a、b、c 三个变量同属于一个栈内，所以它们地址的索引是连续性的，那如果我创建一个静态变量将会如何？在以上内容中说明了静态变量存储在静态区内，我们现在就来证实一下：

运行结果如下：

以上代码中创建了一个变量 d，变量 d 为静态变量，运行代码后从结果上得知，静态变量 d 的地址与一般变量 a、b、c 的地址并不存在连续，他们两个的内存地址是分开的。那接下来在此建一个全局变量，通过上述内容得知，全局变量与静态变量都应该存储在静态区，代码如下：

运行结果如下：

从以上运行结果中证实了上述内容的真实性，并且也得到了一个知识点，栈区、数据区都是使用栈结构对数据进行存储。

在以上内容中还说明了一点栈的特性，就是容量具有固定大小，超过最大容量将会造成栈溢出。查看如下代码：

以上代码定义了一个字符数组 arr_char，并且设置了大小为 1024*1000000，设置该数据是方便查看大小；随后在数组头部进行赋值。运行结果如下：

这是程序运行出错，原因是造成了栈的溢出。在平常开发中若需要大容量的内存，需要使用堆。

堆并没有栈一样的结构，也没有栈一样的先进后出。需要人为的对内存进行分配使用。代码如下：

以上代码中使用了strcpy 往手动开辟的内存空间 p1 中传数据“这里是堆区”，手动开辟空间使用 malloc，传入申请开辟的空间大小 1024*1000000，在栈中那么大的空间必定会造成栈溢出，而堆本身就是大容量，则不会出现该情况。随后输出开辟的内存中内容，运行结果如下：

在此要注意p1是表示开辟的内存空间地址。

二、malloc 和 free

在 C 语言（不是 C++)中，malloc 和 free 是系统提供的函数，成对使用，用于从堆中分配和释放内存。malloc 的全称是 memory allocation 译为“动态内存分配”。

2.1 malloc 和 free 的使用

在开辟堆空间时我们使用的函数为 malloc，malloc 在 C 语言中是用于申请内存空间，malloc 函数的原型如下：

在 malloc 函数中，size 是表示需要申请的内存空间大小，申请成功将会返回该内存空间的地址；申请失败则会返回 NULL，并且申请成功也不会自动进行初始化。细心的同学可能会发现，该函数的返回值说明为 void *，在这里 void * 并不指代某一种特定的类型，而是说明该类型不确定，通过接收的指针变量从而进行类型的转换。在分配内存时需要注意，即时在程序关闭时系统会自动回收该手动申请的内存 ，但也要进行手动的释放，保证内存能够在不需要时返回至堆空间，使内存能够合理的分配使用。