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内存==c语言1

2022-07-07 07:10:00 【栋哥修炼日记】

一、程序运行为什么需要内存

1、计算机程序运行的目的

结果和过程：用函数来做类比，函数的形参就是待加工的数据，函数本体是代码，函数的返回值为结果，函数的执行过程就是过程。

代码示例：

int add(int a,int b){
      //此函数的执行为了得到结果
	return a+b;
}
void add(int a,int b{
      //此函数的执行重在过程
	int c ;
	c=a+b;
	printf("c=%d\n",c);
	return c;
}
int add(int a,int b){
      //此函数的执行重在过程,重在结果
	int c;
	c=a+b;
	printf("c=%d\n",c);
	return c;
}

2、计算机程序的运行过程

计算机程序的运行过程就是程序中多个函数相继运行的过程，函数运行的过程就是数据加工的过程。

3、冯诺依曼结构和哈佛结构

冯诺依曼结构：数据和代码放在一起，一起寻址。（x86）
哈佛结构：数据和代码分开放置，独立寻址。（ARM）
代码：即函数
数据：即全局变量、局部变量
示例：在S5PV210中运行的Linux系统上，运行应用程序时，所有的应用程序代码和数据都放在DRAM中，这就是冯诺依曼结构；在单片机中，我们把程序烧写到Flash中。然后程序在Flash中原地运行，程序中所涉及到的数据（全局变量、局部变量）不能放在Flash中，必须放在RAM（SRAM）中，这就是哈佛结构。

4、动态内存DRAM和静态内存SRAM

(1) DRAM的存储原理是电容存储电荷的方式,SRAM的存储原理是触发器的方式。
（2）SDRAM：同步动态随机存储器。

5、程序运行为什么需要内存？

内存用来存放数据（和代码），即全局变量、局部变量等，而数据是程序得组成部分和处理对象，因此内存是程序运行的本质需求。越简单得程序运行需要得内存越小，越复杂得程序运行需要得内存越大。
内存管理是编程一个很重要的知识点，我们学习很多编程的关键点都是为了内存管理，比如说数据结构和算法。

6、深入思考：如何管理内存

从操作系统得角度说：
- 操作系统掌握着所有得硬件资源，因为内存很大，所以操作系统把内存分成一个个页面（即是块，一般是4KB），然后以页面为单位进行管理。页面内则以字节为单位进行管理。其实操作系统内存管理的原理非常复杂，但对于编程人员来说，只需要利用好操作系统提供的内存管理API即可。譬如在C语言中使用malloc、free来进行内存申请与释放
- 不带操作系统时，程序需要直接操作内存，编程者需要自己进行内存的计算和安排。
从编程语言的角度说：不同语言提供了不同的内存管理接口
- ①汇编：没有任何内存管理，内存管理全靠程序员自己，操作内存时直接使用内存地址，非常麻烦
- ②C语言：编译器帮我们直接管理内存地址，通过编译器提供的变量名来访问内存，操作系统下如果需要大块内存可以通过API（malloc、free）来访问系统内存，而裸机程序中需要大块内存需要自己定义数据等来解决。
- ③c++：对内存的使用进一步封装，我们可以用new来创建对象（其实就是为对象分配内存），使用完之后用delete来删除对象（即释放内存）。所以c++的内存管理比c语言更高级点，但是内存管理还是要程序员自己实现，使用完不释放会造成内存泄漏。
- ④java/c#等:这些语言不操作内存，而是通过虚拟机来操作内存。虚拟机作为我们程序员的代理，帮我们处理内存释放的工作。
总结：java/c#看起来似乎比c/c++更高级一些，但虚拟机的内存回收是需要付出一定性能代价的，当我们开发程序的速度非常在乎的时候，就会用java/c#等语言；当我们对程序的性能非常在乎的时候，就会用c/c++。

二、位、字节、半字、字的概念和内存位宽

1、什么是内存？

①硬件角度：内存实际上就是电脑的一个配件（内存条）。根据不同的实现原理，可以把内存分为SRAM和DRAM（SDRAM\DDR1SDRAM\DDR2SDRAM、LPDDR5SDRAM）
②逻辑角度：可以随机读写（给一个地址就可以进行访问）;内存在编程中天然是用来存放变量的，c语言的一个变量就对应着内存中的一小段。

2、内存的逻辑抽象图

逻辑上内存是由无穷多的小格子组成，每一个小格子对应着一个地址
现实中的内存大小是有限制的，譬如32位的操作系统（32位系统是指32位数据线，但是一般地址线也是32位，即内存地址只有32位二进制数，所以逻辑上大小为2^32）内存限制就为4GB。实际上32位系统中的内存是小于等于4GB的。

3、位和字节、字和半字

内存单元的大小单位有4个：位（1bit）字节（8bit）半字（一般是16bit）字（一般是32bit）

4、内存位宽

从硬件角度讲：内存的硬件实现本身是有宽度的，有些内存条是8位的，有些是16位的。需要强调的是内存芯片之间是可以并联的，通过并联8位的内存芯片可以实现16位或者32位的内存。（数字电路有提到过此知识）
从逻辑角度讲：内存位宽在逻辑上是任意的，但实际硬件的位宽不是任意的，所以我们需要按照不同位宽的硬件特性来编程
内存位宽是在一个时钟周期内所能传送数据的位数，位数越大则瞬间所能传输的数据量越大，这是内存的重要参数之一

三、内存编址共和寻址、内存对齐

1、内存编址方法

将内存单元与地址唯一地、永久地绑定起来。
地址和空间是内存单元的两个方面。

2、关键：内存编址是以字节为单位的

3、内存和数据类型的关系

c语言中的数据类型有char、short、 int 、long、 float 、double。
数据类型是用来当定义变量的，而变量需要存储在内存中，所以数据类型必须和内存相匹配才能获得最好的性能。
在32位系统中定义变量最好用int，因为这样效率高。原因是系统本身就是32位的结构，一次处理32位数据。在32位系统中定义bool类型的变量时系统内部也是用int实现的。
在实际编程中要根据实际情况进行内存和效率的取舍。

4、内存对齐

对齐访问很配合硬件，所以效率很高；
非对齐访问因为和硬件不搭，所以效率不高

四、C语言如何操作内存

1、C语言对内存地址的封装

用变量名来访问内存
数据类型的含义：表示一个内存格子的长度和解析方法
函数是一段代码的封装，函数名的实质就是这一段代码的首地址，所以说函数名的本质也是一个内存地址。

2、用指针来间接访问内存

关于类型，不管是普通变量类型还是指针变量类型，只要记住：类型只是对后面的数字或符号（代表的是内存地址）所表征的内存的一种长度和解析方法的规定而已

3、用数组来管理内存

数组管理内存和变量没有本质区别，只是符号的解析方法不同。
数组中的第一个元素称为首元素，首元素的第一个字节的地址就是首元素首地址。

五、内存管理之结构体

1、数据结构这门学问的意义

数据结构就是研究数据如何在内存中组织、加工的学问。

2、最简单的数据结构：数组

将同种类型的变量组织起来，方便管理。
优势：在内存中顺序存储，可用下标随机访问。
劣势：所有元素类型必须相同，定义时必须给出大小且不能再修改。

3、结构体隆重登场

结构体发明出来就是为了解决数组的第一个缺陷：数组中所有元素类型必须相同。
代码示例：

struct people{
    
	int age;
	char name[10];
	int height;
};

4、题外话：结构体内嵌指针实现面向对象(节点)

面向过程与面向对象：面向过程指把问题的解决步骤一步一步地拆分，按要求执行，最终解决问题；而面向对象则是把问题事务分解成各个对象，分类来解决问题。
C语言是面向过程的，但C语言写出来的Linux系统是面向对象的。
用非面向对象的语言，不一定不能实现面向对象的代码，只是说用面向对象的语言来实现面向对象更加简单一些，因为语言本身就做了很多工作。
代码示例：

struct s{
    
	int age;//普通变量
	int(*pfunc)(void);//函数指针，指向int xxx（void）这类函数
}
//使用这样的结构体可以实现面向对象，这样包含了函数指针的结构体就类似于面向对象中的class

六、内存管理之栈（stack）

1、什么是栈？

栈是一种数据结构，C语言内存管理中使用栈来保存函数参数和局部变量。

2、栈管理内存的特点（小内存、自动化）

先进后出（FILO），而队列是先进先出（FIFO）。
栈的特点是入口即出口，只有一个口，另一个口是堵死的，所以是先进后出。而队列的特点是入口和出口都有，必须从入口进去，从出口出来，所以是先进先出。

3、栈的应用举例：局部变量

c语言中的局部变量是用栈来实现的，定义局部变量，对应操作是入栈（自动化)；
函数退出局部变量注销的时候，对应的操作是出栈（自动化）。
栈的优点：方便、分配和回收都不用程序员自己操作，c语言自动完成
定义局部变量但未被初始化吗，值是随机的，为什么？
因为栈式反复使用的，并且每次使用完之后没有清零

4、栈的优势和劣势

优势：自动化，不用程序员手动操作内存
劣势：首先，栈式有大小的，所以栈内存大小不好设置。所以太小怕溢出，太大怕浪费内存（与数组类似）。其次，栈溢出的危害很大，一定要避免。所以我们在C语言中定义局部变量时不能定义太多或者太大（譬如不能定义int a[10000];使用递归来解决问题时一定要注意递归收敛）。

七、内存管理之堆（heap）

1、什么是堆

堆是一种内存管理方式，其特点就是自由（随时申请、释放、大小块随意）
堆内存是操作系统划分给堆管理器（操作系统的一段代码，属于操作系统内存管理单元）来管理的，然后向使用者（用户进程）提供API（malloc和free）来使用堆内存。
什么时候需要使用堆内存？
需要内存容量比较大时、需要反复使用及释放时，很多数据结构（譬如链表）的使用都需要使用堆内存。

2、堆内存管理的特点

容量不限（常规需求都能满足）。
申请及释放都需要手动进行，若使用完后没有释放则会造成内存泄漏，内存泄漏的堆积会导致内存溢出甚至系统崩溃。
（内存泄漏：申请(new/malloc)了一块内存,但是没有去手动的释放(delete/free)内存,导致指针已经消失,而指针指向的东西还在,已经不能控制这块内存）

3、C语言操作堆内存的接口

（1）堆内存申请时有三个功能类似的函数：malloc、calloc、realloc。
- void *malloc(size_t size); // 申请指定大小的内存
- void *calloc(size_t nmemb, size_t size); // 申请nmemb个内存单元，每个size字节
- void *realloc(void *ptr, size_t size); // 改变已经申请的空间的大小
（2）堆内存释放最简单，直接调用free函数即可
void free(void *ptr);
(3) 代码示例：

// 譬如要申请10个int元素的内存
malloc(40);
calloc(10,4);

(4)C语言定义数组时必须给出数组元素个数，且无法再修改。而在Java等高级语言中，则可以修改数组大小，其原理是重新创建一个新的数组，然后释放掉原数组。realloc的实现原理也类似。

4、堆的优势和劣势

优势：灵活使用
劣势：需要程序员处理释放等细节，容易出错，严重依赖程序员水平。

八、复杂数据结构

1、链表、哈希表、二叉树、图等

链表：链表是最重要的，Linux内核中经常使用链表，驱动和应用的编写很多时候也需要链表，所以必须掌握链表：结构体的定义，链表的创建，链表的增、删、查，链表的逆序
哈希表：不是很常用，一般不需要自己实现，直接使用别人实现的哈希表比较多。我们需要了解哈希表的原理、特点、适用场景。
二叉树、图等：用于处理特定问题，很少使用，不必过于纠结。