C語言深刻學習系列 - 字節對齊&內存管理

時間 2019-11-08

標籤 c語言深刻學習系列字節對齊內存管理简体版

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用C語言寫程序時須要知道是大端模式仍是小端模式。程序員

所謂的大端模式，是指數據的低位保存在內存的高地址中，而數據的高位，保存在內存的低地址中；所謂的小端模式，是指數據的低位保存在內存的低地址中，而數據的高位保存在內存的高地址中。數組

爲何會有大小端模式之分呢？這是由於在計算機系統中，咱們是以字節爲單位的，每一個地址單元都對應着一個字節，一個字節爲8bit。可是在C語言中除了8bit的char以外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對於位數大於8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，因爲寄存器寬度大於一個字節，那麼必然存在着一個若是將多個字節安排的問題。所以就致使了大端存儲模式和小端存儲模式。例如一個16bit的short型x，在內存中的地址爲0x0010，x的值爲0x1122，那麼0x11爲高字節，0x22爲低字節。對於大端模式，就將0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x2211中。小端模式，恰好相反，仍是ox1122。咱們經常使用的X86結構是小端模式，而KEIL C51則爲大端模式。不少的ARM，DSP都爲小端模式。有些ARM處理器還能夠由硬件來選擇是大端模式仍是小端模式。數據結構

Java、.NET大行其道的今天，C語言做爲一門經典的高級語言，存在的惟一理由就是其高效、精練。隨着PC硬件升級和降價，C語言因爲其自身的複雜度，在開發PC應用軟件時，已經不多使用。可是在開發嵌入式系統軟件和操做系統時，因爲廣泛強調微內核，少佔用空間和高效，所以，在系統開發舞臺上，C語言依舊是主角。函數

在實際的程序開發中，爲了提升數據的讀取效率，在內存資源足夠的狀況下，通常在定義數據結構時，應該考慮四字節對齊，其緣由很簡單，如今的計算機多數是32位，也就是四字節。在每次讀取數據時，通常都是直接讀取32位的數據。有些狀況下，字節對齊的數據結構，要比非對齊的數據結構佔用空間少。如下分別就這兩方面舉例闡述。

一、充分考慮四字節對齊，能夠節省存儲空間

typedef struct tagAAA{

char name[10];

long sno;

char sex;

float score[4];

}AAA;

typedef struct tagBBB{

char name[10];

char sex;

long sno;

float score[4];

}BBB;

在VC下，調試，能夠很容易看出來，AAA佔的存儲空間爲36，BBB佔的存儲空間爲32。緣由很簡單，在四字節對齊的狀況下，按四個字節爲單位分配存儲空間，若是不足，會自動補充，本次分配不足以存放下面的變量時，會從新分配空間。

AAA：

------------------------------------

------------------------------------

----------因爲剩下的兩個字節不足以存放sno（long佔四個字節），因此從新分配

------------------------------------

| sno |

----------long變量佔四個字節，32bits

------------------------------------

|sex | 自動填充 |

----------剩餘三個字節的空間，不足以重放一個float變量，所以從新分配

------------------------------------

| score[0] |

------------------------------------

| .......... |

------------------------------------

| score[3] |

------------------------------------

由此能夠輕易的計算出，AAA佔36個字節，同理，很容易計算出BBB佔32個字節空間。

二、字節對其的狀況下，能夠更高效的訪問

假設一個結構體的數據以下存儲：

-----------------------------------------------------

| 12 | 34 | 56 | 78 | -----------(A)

-----------------------------------------------------

| XX | YY | 12 | 34 | -----------(B)

-----------------------------------------------------

| 56 | 78 | XX | YY |

在A狀況下，一次性讀取數據成功，可是，在B狀況下，須要讀取數據兩次，由此，可看出效率的差別。

通常狀況下，字節對齊聽從系統字節數與要求的對齊字節數相比，最小原則，即：假設要求按八字節對齊，可是系統爲32位系統，則按照4字節對齊。在四字節對齊時，局部會按照2字節對齊，如：

struct tagAAA

{

char a;

short b;

char c;

}AAA;

該結構體佔據的空間爲8字節而不是4字節，緣由就是：

-----------------------------------

| a | | b |

-----------------------------------

| c | |

而不是：

------------------------------------

| a | b | c |

------------------------------------

其緣由就是局部會以2字節對齊。

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衆所周知，C語言程序設計中，內存的分配和管理徹底交由程序員來控制，所以，內存管理是每一個C程序員必須熟練掌握的。通常而言，分配給進程的內存有四個概念上不一樣的區域，分別爲：代碼段、數據段、堆和棧，其中數據段又能夠細分爲初始化爲非零的數據和初始化爲零的數據。以下圖所示：

-------------------

| 程序棧 |----------高地址--〉低地址（向下增加）

-------------------

| 堆 |----------向上增加

-------------------

| BSS |----------數據段

| 全局和靜態變量 |

-----------------------------低地址

| 可執行代碼 |----------代碼段

-------------------

可執行指令放在代碼段中，任什麼時候刻，內存中只有一份相同程序的指令拷貝，多個實例共享這些代碼。 初始化爲非零的靜態數據和全局數據存放在數據段中，運行相同程序的每一個進程，有本身的數據段。

初始化爲零（即未初始化的變量，系統自動填充爲0；或者初始化爲0）的全局數據和靜態分配數據存放在進程的BSS區域中，每一個運行的進程都有本身的BSS，程序運行的時候，將數據放到數據段中，由此可知，只有初始化爲非零的變量才佔用空間，因此對於相似static int ss[1024];這樣的數組自動用0來填充，它佔的空間很小。

【BSS是「Block Started by Symbol」的縮寫，意爲「以符號開始的塊」。BSS是Unix連接器產生的未初始化數據段。其餘的段分別是包含程序代碼的「text」段和包含已初始化數據的「data」段。BSS段的變量只有名稱和大小卻沒有值。此名後來被許多文件格式使用，包括PE。「以符號開始的塊」指的是編譯器處理未初始化數據的地方。BSS節不包含任何數據，只是簡單的維護開始和結束的地址，以便內存區能在運行時被有效地清零。BSS節在應用程序的二進制映象文件中並不存在，例如：

　　unsigned char var; // 分配到.bss節的8位未初始化變量

　　unsigned char var2 = 25; // 分配到.data節的8位已初始化變量 】

堆，動態內存來自於堆，即：經過malloc獲得的空間，一般狀況下，堆是向上增加的，即：後面分配的地址比前面的地址在數值上大一些。 【注意：這裏的堆並非數據結構中的堆，它的分配方式相似於鏈表】

棧，分配局部變量的地方，函數參數、函數的返回值和返回地址也放在棧空間中，須要特別注意的是，當函數返回後，存儲在棧空間中的函數變量「自動消失」，空間被其餘函數使用。棧空間是向下增加的。

在C語言中，通常經過malloc/calloc函數分配空間，經過free()函數釋放空間，使用realloc()改變已分配空間的大小。

分配內存的步驟：

1.申明一個指定類型的指針

2.計算要分配空間的大小，通常使用函數sizeof()來實現

3.調用函數malloc()完成空間的申請，將函數的返回值賦給指針變量，

4.檢查返回值是否不爲NULL，保證空間分配成功

5.分配好的空間是沒有通過初始化的，其中可能包含一些垃圾信息，所以調用函數memset()將其用0來填充是個好的習慣

釋放內存步驟：