C语言深入学习系列 - 字节对齐&内存管理

用C语言写程序时需要知道是大端模式还是小端模式。

所谓的大端模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中；所谓的小端模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中。

为什么会有大小端模式之分呢？这是因为在计算机系统中，我们是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit的long型（要看具体的编译器），另外，对于位数大于8位的处理器，例如16位或者32位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，那么必然存在着一个如果将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。例如一个16bit的short型x，在内存中的地址为0x0010，x的值为0x1122，那么0x11为高字节，0x22为低字节。对于大端模式，就将0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x2211中。小端模式，刚好相反，还是ox1122。我们常用的X86结构是小端模式，而KEIL C51则为大端模式。很多的ARM，DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。

Java、.NET大行其道的今天，C语言作为一门经典的高级语言，存在的唯一理由就是其高效、精练。随着PC硬件升级和降价，C语言由于其自身的复杂度，在开发PC应用软件时，已经很少使用。但是在开发嵌入式系统软件和操作系统时，由于普遍强调微内核，少占用空间和高效，因此，在系统开发舞台上，C语言依旧是主角。

      在实际的程序开发中，为了提高数据的读取效率，在内存资源足够的情况下，一般在定义数据结构时，应该考虑四字节对齐，其原因很简单，现在的计算机多数是32位，也就是四字节。在每次读取数据时，一般都是直接读取32位的数据。有些情况下，字节对齐的数据结构，要比非对齐的数据结构占用空间少。以下分别就这两方面举例阐述。

      1、充分考虑四字节对齐，可以节省存储空间

         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，调试，可以很容易看出来，AAA占的存储空间为36，BBB占的存储空间为32。原因很简单，在四字节对齐的情况下，按四个字节为单位分配存储空间，如果不足，会自动补充，本次分配不足以存放下面的变量时，会重新分配空间。

        AAA：

              |name[0]|name[1]|name[2]|name[3]|

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

              |name[4]|name[5]|name[6]|name[7]|

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

              |name[8]|name[9]|             |                   |

                        ----------由于剩下的两个字节不足以存放sno（long占四个字节），所以重新分配

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

              |                        sno                                       |

                          ----------long变量占四个字节，32bits

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

              |sex        |    自动填充                                |

                          ----------剩余三个字节的空间，不足以重放一个float变量，因此重新分配

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

              |                  score[0]                                     |

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

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

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

              |                  score[3]                                     |

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

               由此可以轻易的计算出，AAA占36个字节，同理，很容易计算出BBB占32个字节空间。

           

         2、字节对其的情况下，可以更高效的访问

               假设一个结构体的数据如下存储：

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

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

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

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

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

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

              |        56        |        78       |       XX       |         YY        |

              在A情况下，一次性读取数据成功，但是，在B情况下，需要读取数据两次，由此，可看出效率的差异。

          一般情况下，字节对齐遵从系统字节数与要求的对齐字节数相比，最小原则，即：假设要求按八字节对齐，但是系统为32位系统，则按照4字节对齐。在四字节对齐时，局部会按照2字节对齐，如：

             struct tagAAA

             {

                     char a;

                     short b;

                     char c;

             }AAA;

该结构体占据的空间为8字节而不是4字节，原因就是：

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

                    |    a     |          |             b              |

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

                    |   c      |                                      |

而不是：

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

                    |    a     |          b          |        c         |

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

其原因就是局部会以2字节对齐。

 

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       众所周知，C语言程序设计中，内存的分配和管理完全交由程序员来控制，因此，内存管理是每个C程序员必须熟练掌握的。一般而言，分配给进程的内存有四个概念上不同的区域，分别为：代码段、数据段、堆和栈，其中数据段又可以细分为初始化为非零的数据和初始化为零的数据。如下图所示：

           

            -------------------

            |       程序栈          |----------高地址--〉低地址（向下增长）

            -------------------

            |          堆                |----------向上增长

            -------------------

            |          BSS              |----------数据段

            | 全局和静态变量 |

            -----------------------------低地址

            |     可执行代码     |----------代码段

            -------------------

       可执行指令放在代码段中，任何时刻，内存中只有一份相同程序的指令拷贝，多个实例共享这些代码。初始化为非零的静态数据和全局数据存放在数据段中，运行相同程序的每个进程，有自己的数据段。

        初始化为零（即未初始化的变量，系统自动填充为0；或者初始化为0）的全局数据和静态分配数据存放在进程的BSS区域中，每个运行的进程都有自己的BSS，程序运行的时候，将数据放到数据段中，由此可知，只有初始化为非零的变量才占用空间，所以对于类似static int ss[1024];这样的数组自动用0来填充，它占的空间很小。

     【BSS是“Block Started by Symbol”的缩写，意为“以符号开始的块”。BSS 是Unix链接器产生的未初始化数据段。其他的段分别是包含程序代码的“text”段和包含已初始化数据的“data”段。BSS段的变量只有名称和大小 却没有值。此名后来被许多文件格式使用，包括PE。“以符号开始的块”指的是编译器处理未初始化数据的地方。BSS节不包含任何数据，只是简单的维护开始 和结束的地址，以便内存区能在运行时被有效地清零。BSS节在应用程序的二进制映象文件中并不存在，例如：

　　unsigned char var; // 分配到.bss节的8位未初始化变量

　　unsigned char var2 = 25; // 分配到.data节的8位已初始化变量】

 

      堆，动态内存来自于堆，即：通过malloc得到的空间，通常情况下，堆是向上增长的，即：后面分配的地址比前面的地址在数值上大一些。【注意：这里的堆并不是数据结构中的堆，它的分配方式类似于链表】

 

      栈，分配局部变量的地方，函数参数、函数的返回值和返回地址也放在栈空间中，需要特别注意的是，当函数返回后，存储在栈空间中的函数变量“自动消失”，空间被其他函数使用。栈空间是向下增长的。

 

      在C语言中，一般通过malloc/calloc函数分配空间，通过free()函数释放空间，使用realloc()改变已分配空间的大小。

      分配内存的步骤：

      1.申明一个指定类型的指针

      2.计算要分配空间的大小，一般使用函数sizeof()来实现

      3.调用函数malloc()完成空间的申请，将函数的返回值赋给指针变量，

      4.检查返回值是否不为NULL，保证空间分配成功

      5.分配好的空间是没有经过初始化的，其中可能包含一些垃圾信息，因此调用函数memset()将其用0来填充是个好的习惯

      释放内存步骤：

      1.调用函数free()释放掉空间

       注意：

        1.不可以使用free()之后的空间

        2.free()后，最好将指针置为NULL，因为如果不做这步处理，原来的指针依旧指向刚才释放的空间，可以继续操作

         3.避免重复释放空间

 

       在Unix系统上，提供了函数alloca()函数，可以实现在栈空间上分配指定大小的空间，这样的好处是，函数结束后，空间自动释放，不必显式地调用函数free()，但是该函数有很多弊端，比如不可移植等，因此不建议使用。

       有必要提一下malloc、calloc、realloc函数的底层实现，在Linux系统中，提供了brk()和sbrk()函数，上面几个函数就是在这两个函数的基础上实现的。