C程序的构成及动态内存分配

对一个程序，通常的理解就是，源码编译成机器代码，然后通过机器解释运行。不过是怎样编译成机器代码，和怎样运行的，无疑是个值得探讨的问题。怎样编译成机器代码，过程就是源码的编译、链接，编译器做了这些事。而怎样运行，却不是哪个器件自己一己之力就可以做到的。机器代码要在机器上运行，就得要请求硬件资源。涉及最多的就是CPU和内存了。CPU进行逻辑控制和运算，内存用于运行过程中的数据的快速交互场所。

一个C程序从其自身代码的结构上来看，编译过后不过是一段代码。而这段代码，从磁盘系统加载到内存中被称为代码段或正文段(code/text segment)的地方。在内存中的正文段是共享的。所以，当我们运行同一程序的多个进程时，在内存中，只有一个程序代码的副本。当然，为了防止有人要做坏事，正文段的权限常常都是只读的。
一个只有谋略，而手下无兵的将领，在战场上是什么也做不了的。程序代码，当然也不可能纯粹的都是逻辑描述。还必须得有逻辑作用的对象和结果——数据。也即程序中的各种变量。不同变量，在程序中的地位看起来除了作用域与生存周期外，都大同小异。不过，它们的实现确实非常的不同的。

程序中的未初始化的全局变量，存储在一个被称为未初始化数据段的地方。也即是bss(block started by symbol)段。同时，内核会自动的将此段中的数据初始化为0或空指针。如，函数外的声明：

int sum[10];

使得该变量存放在bss段中。
既然有了未初始化的全局变量，当然也就有初始化了的全局变量。它们存放在一个称为初始化数据段(常简称为数据段)的地方。拥有全局的作用域整个程序的生存周期。(Right?) 如，任函数外的声明：

int tmp = 99;

使得该变量存放在数据段中。
当然，还有一个叫堆栈段的东西。自动变量及每次函数调用是所需要保存的信息都存放在这里。堆栈的特点是先进后出(FILO)及数据存放的周期短，即进栈出栈操作很频繁。自动变量通常都是作为临时变量存在的，存在周期短，非常时候放在栈中。(Right?) 而函数调用时的的现场信息，可以利用堆栈的先进先出特点很方便的进行保护和恢复。典型的，递归的实现就是用了堆栈进行，因为堆栈是一层层向下增长的，所以在子函数中是不会覆盖调用函数的参数的。特别得要注意的一点是，主函数main中的变量，也是自动变量。因为主函数也是函数啊！
最后，作为C和C++特有的动态内存分配。是在运行时，利用堆来动态的进行内存分配的。所以动态分配的内存都具有全局的作用域(从分配后开始)。而生存周期而是直到其被释放前。动态内存的分配，其实就是向内核请求一块内存资源，而释放呢，就是将资源返还给内核。所以动态分配的内存都必须在不再需要时释放。不然可能会造成内存泄露及动态分配失败等恼人的问题。
看到这里，我们可以发现。一个C程序，其代码是被加载到了内存的代码段中，而其代码段中的一个个的变量，并没有实际的存放数据，数据根据情况的不同存放在了bbs段，数据段，堆栈段及堆中，代码段中的变量，存放的是一个指向各个实际存放地方的指针。(Right?)
典型的C内存分布图：

再说说C中动态内存管理。在C中，主要由标准头文件<stdlib.h>中定义的几个函数来进行内存管理：

 void* malloc(size_t size)

 void* calloc(size_t nobj, size_t size)

 void* realloc(void *p, size_t size)

 void* free(void *p)

上面这四个函数，都返回一个void* 指针。在C中，void* 指针可以接收任意类型指针，同时，可以不经强制类型转换直接传递给任意类型指针。而在C++中，前一种情况一样，后一种情况必须进行强制类型转换。
先说说malloc，它接收一个size_t 类型的参数作为请求的内存的大小，以字节为单位。所以，在内存分配中，通常会用到sizeof运算符来获取要分配的数据类型的大小。如：

int *p = malloc(sizeof(int));

为一个int类型的指针 p 分配了一段内存区域。
calloc函数，用于为一个数组对象分配内存，第一个参数为数组的大小，第二个参数为每中数据类型的大小。一般calloc用得不多，可以直接用malloc替代。
realloc函数，用于调整已分配内存的大小。当你发现你的当前内存太多或太小时，就可以用realloc来进行内存的调整了。
所有这三个内存分配函数失败时都会返回NULL，所以可以通过检查返回值来判断内存分配是否成功。
最后，free函数，用于释放使用上述三个函数动态分配的内存。并且必须进行释放。
C中的内存分配函数的实现是由系统来完成的。所以不同系统会有不同的实现。UNIX-like系统中，一般是由sbrk系统调用来实现的。(更具体？)
在C++中，内存管理主要用操作符new 和 delete。相对C来说更方便一些，并且效率更高。不过，有个地方我没想明白的是，为何STL中的内存管理要单独写一个allocator来实现。还是new和delete不够强大？嗯，毕竟不了解new 和 delete的实现。

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