C语言-内存、类型限定符

合集 - C语言学习(6)

1.C语言- 语法基础2024-05-052.C语言-数组、函数及位运算2024-05-05

3.C语言-内存、类型限定符2024-05-05

4.C语言-指针2024-05-055.C语言-内存管理、输入输出缓冲区、字符串2024-05-056.C语言-结构、预处理及文件操作2024-05-06

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一、程序的内存分段(进程映像)：

​ 当执行程序的运行命令后，操作系统会给程序分配它所需要的内存，并划分成以下内存段供程序使用：

text 代码段：

​ C代码被翻译成二进制指令后存储在可执行文件中，当可执行文件被操作系统执行时，它会把里面的二进制指令（编译后的代码）加载到这个内存段，它里面的内容决定了程序如何执行，为了避免程序被破坏、修改，所以它的权限是只读。
​ 该内存段分为两个部分：
r-x：二进制指令
r--：常量数据
​ 注意：该内存段的内容如果被强制修改会产生段错误（非法使用内存）。

data 数据段：

​ 存储的是初始化过(初始化的值非零)的全局变量
​ 存储在该内存段的变量，被const修饰后，就会改存储到text内存段，变成真正的常量。

bss 静态数据段：

​ 存储的是未初始化的全局变量
​ 操作系统把程序被加载到内存后，会把该内存段进行初始化，也就是所有字节赋值为零，所以全局变量的默认值不是随机，而是零。

heap 堆：

​ 该内存段由程序员手动调用内存管理函数(malloc/free)，进行分配、释放，它的分配释放受程序员的控制，适合存储一些需要长期使用的数据。
​ 它的大小不受限制，理论上能达到物理的上限，所以适合存储大量的数据。
​ 该内存段无法取名字，也就是无法与标识符建立联系，必须与指针配合使用。

stack 栈：

​ 存储的是局部变量、块变量
​ 该内存段会随着程序的执行自动的分配(定义局部变量、块变量)、释放(函数执行完毕自动释放局部变量、块变量)，虽然使用比较方便，但它的释放不受程序员控制，长期使用的数据不能存储在栈内存中。

​ 该内存的大小有限，在终端执行： ulimit -s 可以查看当前系统栈内存的使用上限，使用虚拟机ubuntu的栈内存使用上限是8192kb，一旦超过这个限制就会产生段错误。可以使用ulimit -s <size> 命令设置栈内存的使用上限。

静态内存：

​ 当程序完成编译 text、data、bss 三个内存段的大小就确定，在程序运行期间大小不会有任何变化，可以使用size命令查看程序的这三个内存段的大小。

size ./a.out
   text	   data	    bss	    dec	    hex	filename
   3884	    312	     96	   4292	   10c4	./a.out

动态内存：

​ heap、stack两个内存段，会随着程序的执行，而动态变化。
​ 当程序运行时，/proc/程序编号/maps文件里记录程序执行过程中内存的使用情况，程序运行结束这个文件就消失了。
​ 使用ps aux命令查看所有进程的编号，getpid()函数可以获取当前进程的编号。

二、变量属性和分类

变量的属性

• 作用域：变量的使用范围。
• 存储位置：变量使用那个内存段存储数据，决定了变量在运行期间能否被释放（销毁），能否被修改。
• 生命周期：变量从定义、分配内存到内存销毁的时间段。

全局变量：

​ 定义在函数外的变量叫全局变量。

• 作用域：本程序内任何位置都可以使用。
• 存储位置：初始化的全局变量使用的是data内存段，未初始化的全局变量使用的是bss内存段。
• 生命周期：从程序开始执行，到程序执行结束。

局部变量：

​ 定义在函数内的变量叫局部变量。

• 作用域：只能在它所在的函数内使用（从定义的位置开始，到函数结束）。
• 存储位置：使用的是stack内存段。
• 生命周期：当它所在的函数被调用后，执行到局部变量的定义语句时局部变量就会被创建（操作系统会给局部变量的变量名分配一块stack内存），当函数执行结束后，局部变量就被销毁了。

块变量：

​ 定义在if、for、while、do while语句块内的变量叫局部变量，就是特殊的局部变量。

• 作用域：只能在它所在的语句块内使用。
• 存储位置：使用的是stack内存段。
• 生命周期：当它所在的函数被调用后，执行到块变量的定义语句时块变量就会被创建（操作系统会给块变量的变量名分配一块stack内存），当出了它所在的大括号，块变量就被销毁了。

注意：全局变量、局部变量、块变量可以同名，不会造成命名冲突，局部变量会屏蔽同名的全局变量，块变量会屏蔽同名的全局变量、局部变量。
解决: 一般为了解决全局变量与局部变量命名冲突问题，全局变量一般首字母大写，局部变量一般全部小写

全局变量的优点和缺点：

优点：使用方便，避免了函数之间传参产生的消耗，提高程序的运行速度。

缺点：

1. 程序运行期间全局变量所占用的内存不会被销毁，可能会产生内存浪费。
2. 命名冲突的可能性比较大，可能会与其它文件的全局变量、函数、结构、联合、枚举、宏命名冲突。

#include <stdio.h>

int scanf;	//	全局变量，很容易起命名冲突
int main() {
    int scanf;	//	局部变量 不容易起冲突
}

总结：全局变量尽量少用，或者不用。

三、修饰变量的关键字——类型限定符

<类型限定符> 数据类型 变量名;

typedef

typedef int num;
num n1;	//n1 就是int类型

​ 变量名被typedef修饰后，就会变成定义它的数据类型，此时该名字不是变量名而是类型名，之后就可以使用这种新的数据类型定义变量、数组了，该功能是为了给复杂的数据类型重新定义一个简短的类型名。
​ 由于无符号整型使用比较麻烦，所以标准库中为我们定义一些简短的无符号整型的类型名，就使用typedef定义的，实现在stdint.h头文件里。

typedef signed char     int8_t;
typedef short int       int16_t;
typedef int         	int32_t;
typedef long long int   int64_t;

typedef unsigned char       uint8_t;
typedef unsigned short int  uint16_t;
typedef unsigned int        uint32_t;
typedef unsigned long long int  uint64_t;

auto

auto int num;

​ 早期的C语言用它来修饰自动分配、释放内存的变量，也就是局部变量和块变量，但由于代码使用的变量绝大多数都是局部变量和块变量，所以就约定，该关键字不加就代码加，所以该关键字已经没有实用价值了。

​ 在C++11的语法标准中，auto有了新的功能，就是定义自动类型的变量，编译器会根据变量的初始值，自动设置变量的数据类型。
​ auto num = 1234; // num int类型
​ auto f = 3.14; // f double类型
​ 编译指令：g++ xxx.c -std=c++11
​ 注意：虽然auto关键字，已经不再使用，但基本功能还保留着，所以它不能修饰全局变量。

const

const int num;

​ const的意思是常量，但实际它只是为变量提供一层保护，被它修饰的变量不能显式修改，但可以隐式修改，也就被它修饰后并不能变成真正的常量。

#include <stdio.h>
int main() {
    const int num = 10; 
    int *p = (int *)&num;                                               
    *p = 88; 
    //num = 88;
    printf("%d\n",num);
}

​ 注意：存储在data内存段的变量，被const修饰后就会变成真正的常量，存储位置被修改为text，其实是修改了data段和text段的分界线。如果就算隐式修改也会段错误

static

​ static既可以修饰变量，也可以修饰函数，主要有三大功能：

限制作用域：

​ 默认情况下全局变量、函数的作用域是整个程序都可以使用，被static修饰后，就只能在它所在的.c文件内使用。
​ 该功能可以避免全局变量、函数的命令冲突，也能防止全局变量、函数被外部修改、调用，提高代码的安全性。
​ 普通全局变量、函数也叫外部变量、外部函数，被static修饰后就叫做内部变量、内部函数、静态全局变量。

改存储位置：

​ 局部变量、块变量被static修饰后，存储位置就由stack改data、bss，称呼为静态局部变量、静态块变量。
​ 静态局部变量、静态块变量的默认值不再是随机的，而是零。

延长生命周期：

​ 由于静态局部变量、静态块变量的存储位置由stack(动态分配、释放)改为data、bss，所以静态局部变量、静态块变量不会随着函数的执行结束而销毁，而是和全局变量的生成周期一样。

注意：static修饰局部变量、块变量，会改变它们的存储、延长生命周期，但并不会改变它们的作用域。

volatile

​ 在程序中使用到变量时，系统会从内存中读取该变量的值交给CPU运算，如果之后该变量的值没有发生明显变化，再次使用变量时系统会直接使用上次读取的旧值，而不会再从内存中读取。这编译器对变量读值过程的优化。
​ volatile关键字就告诉编译器不要优化变量的读值过程，每使用该变量时，都重新从内存中读取它的值。

int num = 10;
if (num == num) {} // 一定成立

volatile int num = 20;
if (num == num) {} // 有可能不成立

​ 什么情况下需要使用volatile关键字：
​ 变量被共享访问，且有多个执行者可以修改它的值，这种情况下变量就应该被volatile修饰。
​ 情况1：多线程编程处理复杂问题时。
​ 情况2：裸机编程、驱动编程时，软硬件共用的寄存器。

register

​ 计算机的存储介质读写速度排序：机械硬盘->固态硬盘->内存条->高级缓存->CPU寄存器
​ register关键字的作用是申请把变量的存储介质由内存条改为CPU寄存器，一旦申请成功，变量的读写速度、运算速度会大大提高。

注意：CPU中的寄存器数量有限，申请不一定成功，只有需要长期大量运算的变量才适合用register关键字修饰。
注意：被register修饰过的变量，不能获取变量的地址。

extern

​ 当使用其它.c文件中的全局变量时，需要像声明函数一样，对其它.c文件全局变量进行声明。

extern 类型 变量名; 

​ 注意：声明变量只能解决编译时的问题，如果目标文件最终链接时，变量没有定义，依然会报错。

a.c:(.text+0x12)：对‘num’未定义的引用，这种是链接时的错误。

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