C语言中的存储类型以及内存空间的管理

存储类型

1.C语言中存储类型有哪些？各自的适用场景和区别。

变量的声明 : <存储类型> <数据类型> <变量名>
存储类型有：auto（默认） register static extern

• auto： 存储局部变量，必须初始化，不然是随机值。

• register: 寄存器类型，将变量放到CPU的寄存器中可以加快程序的运行速度。
  -在申请不到空间时，就会使用一般内存，同auto
  -寄存器变量是没有地址而言，不能用取地址符 &

• static 静态存储类型的变量 修饰局部变量，默认是0
  -在内存中是以固定的地址存放，而不是以堆栈的形式存放
  -只要程序没结束，就不会随着说明它的程序段的结束而消失，下次再调用该函数，该存储类型的变量不会再重新说明，而且还保留上次调用存入的数值。
  -static修饰的全部变量，其他文件无法使用

• extern：外部参照引用类型
  < extern > <外部变量数据类型> <外部变量名>
  -当一个变量在一个文件的函数体外声明，所有其他文件中的函数或程序端都可引用这个变量。

对比auto 与 static 修饰局部变量的区别

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int i = 1;
    while(i<5)
    {
        int a = 0;  //默认是 auto 类型
        a++;
        printf("a = %d\n",a);
        i++;

    }
    return 0;
}
输出为 
a=1
a=1
a=1
a=1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int i = 1;
    while(i<5)
    {
        static int a = 0;  //此为static 类型
        a++;
        printf("a = %d\n",a);
        i++;

    }
    return 0;
}
输出为 
a=1
a=2
a=3
a=4

extern 使用举例 (linux ubuntu)

内存空间管理

1.C/C++中的内存区间有几种？各自的特点是？

C/C++ 中分为 代码区 静态存储区 局部变量存储区（即栈区） 动态存储区（即堆区）

• 代码区：通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读。
• 静态存储区：一般用来存储 全局变量，static 修饰的变量，以及字符串常量。静态存储区内的变量在程序编译阶段已经分配好内存空间并初始化。这块内存在程序的整个运行期间都存在。
• 局部变量存储区（栈区）:主要存放函数的参数以及局部变量。
  在函数完成执行，系统自行释放栈区内存，不需要用户管理。栈内存分配运算 内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量（stack size)有限。
• 动态存储区（堆区）：
  有些操作对象只有在程序运行时才能确定，这样在编译器在编译时就无法为他们预定存储空间。
  所有动态存储分配都在堆区进行，利用malloc 和 free 申请内存和释放内存。

举例分析：以下程序会得到什么样的结果？怎么修改呢？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

char * get_string()
{
    char s[]="Welcome!";
    return s;

}
int main()
{
    char * p;
    p = get_string();
    printf("%s\n",p);

    return 0;
}

解答：从内存的角度，字符数组 s (放在栈区）在函数调用完后立即释放了内存，传不到p ，所以会输出一段乱码，并不能得到预期的结果 Welcome!

修改方式

将 char s[]="Welcome!"; 改为 static char s[] = "Welcome!"; 或者 char * s = "Welcome!"; //但这样改，就不能修改此常量的值
或者：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

char * get_string()
{
    char *s;
    s = (char *)malloc(10*sizeof(char));    //在函数内部使用malloc
    if(s==NULL)
    {
        printf("malloc failed!\n");
        return 0;
    }
    
    printf("please input:");
    scanf("%s",s);   //这里 不能以 s="welcome!"的方式赋值，等式左边s 申请的是一块动态内存，放在堆区，等式右边是一个字符串常量，放在静态存储区，会引起段错误，将 s 的地址更新后，就肯定不能正确的释放申请的堆内存空间！
    printf("s = %s\n",s);
    return s;       //若改成 s="welcome"的形式，这里return 就是返回的静态存储区的地址，后面 free(p)就会造成段错误，原来申请的堆内存不能正确释放

}
int main()
{
    char * p;
    p = get_string();
    printf("p = %s\n",p);

    free(p);                          //在函数外部释放
    p = NULL;
    return 0;
}

malloc free 解析

1.malloc/free的使用注意事项

• void * malloc(size_t num) malloc函数原型，注意返回的是一个 void * 类型，是申请到的内存的起始地址。因此，在调用malloc时要显式的进行类型转换，将 void * 转换成所需要的指针类型。
• void free (void *p)，这里的参数是申请到的内存的起始地址，如果参数是NULL的话，没有任何效果。同时，只释放一块内存中的一部分是不允许的。
• malloc 本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。
  malloc 申请到的是一块连续的内存，有时可能会比所申请的空间大，有时也会申请不到内存，返回一个空指针（NULL），表示发生了异常，堆资源不足，动态内存分配失败。
• malloc 与 free 总是配对使用的，free只能用来释放堆空间。如果malloc返回的指针值丢失，则所分配的堆空间也无法回收，称内存泄漏。而且，同一空间的重复释放也是危险的，因为该空间可能已经重新分配，所以必须妥善保存malloc返回的指针。
• free (p); 的意思是 删除了p所指的目标（变量或者对象等），释放了它所占的堆空间，而不是删除p本身，因此p就成了空悬指针，所以也经常在 free(p);后再加一句 p=NULL; 确保安全。
• 动态分配的变量或者对象的生命期：无名对象生命期并不依赖于建立它的作用域，比如在函数中建立的动态对象在函数返回后仍然可以使用，我们也称堆空间为*空间就是这个原因。但必须记住释放该对象所占的堆空间，并且只能释放一次。

用例分析

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    char * p;
    p = (char *)malloc(10*sizeof(char)); //必须进行类型转换，因为malloc默认返回void * 类型 ，必须说明申请内存空间的大小
    if(p==NULL)
    {
        printf("malloc failed!\n");
        return 0;
    }
    printf("p = %p\n",p); //查看其分配的内存空间的首地址

    printf("input:");
    scanf("%s",p);    //必须保证输入的值不能多，最后 '\0' 还要占一位
    printf("p = %s\n",p);

    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

把一个结构体放到堆内存中，怎么写？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define N 20

typedef struct student{
  int no;
  char name[N];
  float score;
}Stu;

Stu * get_info()
{
   Stu *p;
   if ((p=(Stu *)malloc(sizeof(Stu)))==NULL)
   {
       printf("malloc failed");
       return NULL;
   }
   p->no = 1;
   strcpy(p->name,"Tom");
   p->score = 90;

   return p;

}
int main()
{
    Stu * s;
    if((s=get_info())==NULL)
    {
        return 0;
    }
    printf("Student info: %d %s %.2f\n",s->no,s->name,s->score);

    free(s);
    s=NULL;
    return 0;
}

野指针

是指向“垃圾”内存的指针。它是很危险的。

• 指针变量没有初始化。
• 指针p被free后，没有置为NULL，让人误以为p 是个合法的指针。
• 指针操作超越了变量的作用范围。

char *p;
char s[] = "wel";
p=s;
strcpy(p,"welcome"); //越界