C 基礎 - 存儲類別、連接與內存管理

1、存儲類別

C語言提供幾種存儲方法，來存放在內存中變量的值。

從硬件方面去看，被存儲的每個值都會佔用必定的物理內存，C語言把這樣的一塊內存叫對象(Object)。

從軟件方面去看，程序須要一種方法訪問對象。聲明變量是一種方法。

 

一個變量具備不一樣的存儲類別，存儲類別是指具備不一樣的 存儲期(Storage duration)、做用域(scope)、 連接(linkage)。

有三個地方能夠用於存儲變量：普通內存、運行時堆棧、硬件寄存器。 

 

基本概念： 做用域， 連接， 存儲週期

1. 做用域： 描述程序中可訪問標識符的區域。一個C變量做用域

* 塊做用域

* 函數做用域

* 函數原型做用域：指 int add(a, b); 中 a 與 b 的形參。 

* 文件做用域(全局變量)：變量定義在函數的外面。

 

2. C變量有3種連接屬性：

* 外部連接(external)： 能夠在多個文件程序中使用。

* 內部連接(static)： 只能在一個翻譯單元中使用。

* 無連接： 具備塊做用域、函數做用域、函數原型做用域的變量都是無連接變量，表示變量的可見範圍屬於塊、函數私有。

 

int giants = 5;      // 文件做用域，外部連接， 其餘文件可使用

static int dog = 4;  // 文件做用域， 內部連接， 文件私有 
　　　　　　　　　　　　 // static 關鍵字 描述了文件做用域的 連接特性與存儲週期無關
int main(void)

{ 
　　...
  　static int max(int x, int y);
　　...
} 

 

3. 存儲期：做用域與連接描述了標識符的可見性，存儲期描述了經過這些標識符訪問的對象的生存期。

C對象有四種存儲期：

* 靜態存儲期： 程序執行期間一直存在，不管是內部連接仍是外部連接的文件做用域變量都是靜態存儲期。

* 線程存儲期： 用於併發程序設計，線程結束以前一直存在。

* 自動存儲期： 塊做用域變量具備自動存儲期，爲了讓塊做用域變量具備靜態存儲期，在變量前加 static 關鍵字

* 動態分配存儲期： 

 

4. 五種存儲類別

存儲類別	存儲期	做用域	連接	聲明方式
自動（automatic）	自動	塊	無	塊內
寄存器（register）	自動	塊	無	塊內，關鍵字register
靜態外部連接（static with external linkage）	靜態	文件	外部	全部函數外
靜態內部連接（static with interanl linkage）	靜態	文件	內部	全部函數外，關鍵字static
靜態塊做用域（static with no linkage）	靜態	塊	無	塊內，傅關鍵字 static

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

例如以下

#include <stdio.h>

int a;            // 靜態外部連接 （全局變量，文件做用域，外部連接，其餘文件均可以使用）
static int d;     // 靜態內部連接 (文件做用域，內部連接，僅限本文件內函數使用)
extern char str;  // 字符str是定義在其餘文件中的全局變量

main()
{
    int b;       // 自動變量 (main函數結束後，消失)
    static int c;    // 靜態塊做用域  (main函數結束後，消失)
    retister int e;  // 寄存器變量，沒法獲取寄存器變量的地址

    ......
}

print_r()
{
   int r;         // 自動變量(Print_r函數調用時分配，結束後，消失)
   static int e;  // 靜態塊做用域，該變量的地址在內存中不會改變
}

 

 

程序案例：

/*
 * 此程序的功能用來講明變量的5種存儲類別
 *  storage.c
 */


#include <stdio.h>
void report_count();     // 函數原型
void accumulate(int k);  // 函數原型
int count = 0;           // 全局變量, 外部連接

int main(void)
{
    int value;       // 自動變量
    register int i;  // 寄存器變量
    
    printf("Enter a positive integer (0 to quit): ");
    while (scanf("%d", &value) == 1 && value > 0)
    {
        ++count;     // 引用全局變量
        for (i = value; i >= 0; i--)
            accumulate(i);    // 變量i是塊變量，調用accumulate函數
        printf("Enter a positive integer (0 to quit): ");
    }
    report_count();
    
    return 0;
}

void report_count()
{
    printf("Loop executed %d times\n", count);
}

 

問題：關鍵字static做用是什麼？

在C語言中，關鍵字 static 有三個明顯的做用：

首先：一旦聲明爲靜態變量,在編譯時刻開始永遠存在,不受做用域範圍約束

* 若是是局部靜態變量,則此靜態變量只能在局部做用域內使用,超出範圍不能使用,可是它確實還佔用內存,還存在.
* 在模塊內（但在函數體外），一個被聲明爲靜態的變量能夠被模塊內所用函數訪問，但不能被模塊外其它函數訪問。它是一個本地的全局變量。
* 在模塊內，一個被聲明爲靜態的函數只可被這一模塊內的其它函數調用。那就是，這個函數被限制在聲明它的模塊的本地範圍內使用。

 

/* 
 * 此程序的功能用來講明變量的5種存儲類別 
 * storage_accumulate.c
 */
#include <stdio.h>

extern int count;       // 引用全局變量
static int total = 0;   // 全局靜態變量，本文件內有效

void accumulate(int k); // 函數原型

void accumulate(int k)  // k是塊做用域
{
    static int subtotal = 0;  // 塊靜態變量
    
    if (k <= 0)
    {
        printf("loop cycle: %d\n", count);  // 引用全局變量
        printf("subtotal: %d; total: %d\n", subtotal, total);
        subtotal = 0;
    }
    else
    {
        subtotal += k;
        total += k;
    }
}

編譯命令：

gcc -o storage storage.c storage_acculate.c

 

關鍵字const有什麼含意？
1） 只讀。
2）使用關鍵字const也許能產生更緊湊的代碼。
3）使編譯器很天然地保護那些不但願被改變的參數，防止其被無心的代碼修改。
Dan Saks在他的文章裏徹底歸納了const的全部用法，(譯者：Embedded Systems Programming)

下面的聲明都是什麼意思？ 

const int a;     // 定義常整形數 a
int const a;     // 定義常整形數 a

const int *a;  // a是一個指向常整形數的指針，值不可改，指針a可改
// const 在*以前，表示其值不能夠改

int * const a;  // a是一個指向整型數的常指針, 指針指向的整形數能夠修改，指針不可改
// const 在*以後， 表示指針不可改

int const *a const;  // a是一個指向常整型數的常指針， 指針與值都不可改

 

關鍵字volatile有什麼含意? 並給出三個不一樣的例子？

一個定義爲volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變量的值了。

精確地說就是，優化器在用到這個變量時必須每次都當心地從新讀取這個變量的值，而不是使用保存在寄存器裏的備份。 

下面是volatile變量的幾個例子：
* 並行設備的硬件寄存器（如：狀態寄存器）
* 一箇中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
* 多線程應用中被幾個任務共享的變量

一個參數既能夠是const還能夠是volatile嗎？解釋爲何。 

是的。一個例子是隻讀的狀態寄存器。它是volatile由於它可能被意想不到地改變。它是const由於程序不該該試圖去修改它。

 

一個指針能夠是volatile 嗎？解釋爲何。

是的。儘管這並不很常見。一個例子是當一箇中斷服務子程序修改一個指向一個buffer的指針時。

 

下面的函數有什麼錯誤：

int square(volatile int *ptr)
{
  return *ptr * *ptr;
} 

 

這段代碼的目的是用來返回指針*ptr指向值的平方，可是，因爲*ptr指向一個volatile型參數，編譯器將產生相似下面的代碼：

int square(volatile int *ptr) 
{ 
    int a,b; 
    a = *ptr; 
    b = *ptr; 
    return a * b; 
}

因爲*ptr的值可能被意想不到地該變，所以a和b多是不一樣的。結果，這段代碼可能返不是你所指望的平方值！

 

正確的代碼以下：

long square(volatile int *ptr)  
{ 
    int a; 
    a = *ptr; 
    return a * a; 
} 

 

 

2、分配內存 malloc ()與 free()

#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);
void free(void *ptr);
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
void *realloc(void *ptr, size_t size);

 

1. malloc()函數

malloc自動分配內存，須要一個內存字節數做爲參數，返回動態分配內存塊的首字節地址。

若是malloc內存返回失敗，則會返回NULL。

 

例如用malloc建立一個數組： 爲30個double型的值請求內存空間，並設置ptd指向該位置。

double *ptd;
ptd = (double *) malloc(30 * sizeof(double));

1）. 定義double型指針變量ptd

2）. 30 * sizeof(double) 計算出須要的字節數

3）. malloc()函數請求內存空間

4）. (double*) 進程強制類型轉換.

 

2. free()函數

free() 的參數是malloc參數返回的地址，釋放malloc分配的內存。

所以，動態分配內存的週期從調用malloc到free爲止。

 

一個動態分配內存與釋放內存的例子

/* dyn_arr.c -- 動態分配一個數組 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> /* for malloc(), free() */

int main(void)
{
    double * ptd;　　/* 存儲動態分配內存的首地址 */
    int max;　　　　 /* 輸入數組的最大個數 */
    int number;
    int i = 0;

    puts("What is the maximum number of type double entries?");
    scanf("%d", &max);　　　/* 輸入數組的最大個數 */
    ptd = (double *) malloc(max * sizeof (double));　　/* 分配內存 */
    if (ptd == NULL)　　　　/* 檢查是否分配成功 */
    {
        puts("Memory allocation failed. Goodbye.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    /* ptd now points to an array of max elements */
    puts("Enter the values (q to quit):");
    while (i < max && scanf("%lf", &ptd[i]) == 1)
        ++i;
    printf("Here are your %d entries:\n", number = i);
    for (i = 0; i < number; i++)
    {
        printf("%7.2f ", ptd[i]);
        if (i % 7 == 6)
            putchar('\n');
    }
    if (i % 7 != 0)
        putchar('\n');
    puts("Done.");
    free(ptd);

    return 0;
}

 

3. calloc() 函數

calloc 與 malloc的區別是calloc對申請分配的內存空間進行初始化爲0，而後返回分配內存空間的首地址。

long * newmem;
newmem = (long *) calloc(100, sizeof(long));

 

有兩個參數：

第一個參數是所需的存儲單元數量

第二個參數是存儲單元的大小，以字節爲單位

 

4. realloc()函數

realloc()函數用於修改一個原先已經分配的內存塊大小。

 

經典問題：new delete 與malloc free 的聯繫與區別?

1. 都是在堆(heap)上進行動態的內存操做。 自動分配的變量都在棧上

2. malloc 與 free 是C庫函數， new delete 是C++中運算符

 

問題：要求設置一絕對地址爲0x67a9的整型變量的值爲0xaa55。

int *ptr; 
ptr = (int *)0x67a9; 
*ptr = 0xaa55;