4.C语言专题精讲篇 - 4.1.内存这个大话题

第一部分、章节目录

4.1.1.程序运行为什么需要内存1 4.1.2.程序运行为什么需要内存2

4.1.3.位、字节、半字、字的概念和内存位宽 4.1.4.内存编址和寻址、内存对齐 4.1.5.C语言如何操作内存 4.1.6.内存管理之结构体 4.1.7、内存管理之栈 4.1.8、内存管理之堆 4.1.9、复杂数据结构

第二部分、章节介绍

4.1.1.程序运行为什么需要内存1 本节从本质上分析了计算机程序在计算机中是如何运行的，通过冯诺依曼结构和哈佛结构的对比，让大家对代码和数据之分有了清楚的认识。这些认识有助于你对程序运行过程的分析，从而保证将来写出优秀的程序代码。 4.1.2.程序运行为什么需要内存2 本节从本质上分析了计算机程序在计算机中是如何运行的，通过冯诺依曼结构和哈佛结构的对比，让大家对代码和数据之分有了清楚的认识。这些认识有助于你对程序运行过程的分析，从而保证将来写出优秀的程序代码。 4.1.3.位、字节、半字、字的概念和内存位宽 本节从逻辑上阐述内存的编程模型和逻辑认识，并且解释了内存单元的几个单位：位、字节、半字、字。通过本节学习希望大家从逻辑上对内存有一个认知，先建立起来大的框架性概念。

4.1.4.内存编址和寻址、内存对齐 本节重点讲述内存单元格和其地址的对应关系，同时讲了内存对齐的意义和重要性，试图带领大家对内存从逻辑和现实两个角度深入理解，以为后面的深入分析C语言特性打下基础。

4.1.5.C语言如何操作内存 本节主要讲C语言语法中对内存的使用，包括：变量定义、指针、数组等C语言基本语法，讲述这些语法和内存之间的内在联系，试图引导大家从内存的角度来理解这些语法特性。

4.1.6.内存管理之结构体 本节首先讲述数据结构的概念和意义，然后从数组讲起，使用数组的缺陷引出结构体，目的在于让大家明白结构体这种简单数据结构的内在，最后讲了通过结构体内嵌指针来实现面向对象，这是linux内核中常见的一种语法技巧。 4.1.7.内存管理之栈 4.1.8.内存管理之堆 4.1.9、复杂数据结构

第三部分、随堂记录

4.1.1.程序运行为什么需要内存 4.1.1.1、计算机程序运行的目的 计算机为什么需要编程？编程已经编了很多年，已经写了很多程序，为什么还需要另外写程序？计算机有这个新的程序到底为了什么？ 程序的目的是为了去运行，程序运行是为了得到一定的结果。计算机就是用来计算的，所有的计算机程序其实都是在做计算。计算就是在计算数据。所以计算机程序中很重要的部分就是数据。 计算机程序 = 代码 + 数据 计算机程序运行完得到一个结果，就是说 代码 + 数据 (经过运行后) = 结果 从宏观上来理解，代码就是动作，就是加工数据的动作；数据就是数字，就是被代码所加工的东西。 那么可以得出结论：程序运行的目的不外乎2个：结果、过程 用函数来类比：函数的形参就是待加工的数据（函数内还需要一些临时数据，就是局部变量），函数本体就是代码，函数的返回值就是结果，函数体的执行过程就是过程。 int add(int a, int b) { return a + b;

} // 这个函数的执行就是为了得到结果 void add(int a, int b) { int c; c = a + b; printf(\} // 这个函数的执行重在过程（重在过程中的printf），返回值不需要 int add(int a, int b) { int c; c = a + b; printf(\ return c; }

// 这个函数又重结果又重过程

4.1.1.2、计算机程序运行过程 计算机程序的运行过程，其实就是程序中很多个函数相继运行的过程。程序是由很多个函数组成的，程序的本质就是函数，函数的本质是加工数据的动作。 4.1.1.3、冯诺依曼结构和哈佛结构 冯诺依曼结构是：数据和代码放在一起。 哈佛结构是：数据和代码分开存在。 什么是代码：函数 什么是数据：全局变量、局部变量 在S5PV210中运行的linux系统上，运行应用程序时：这时候所有的应用程序的代码和数据都在DRAM，所以这种结构就是冯诺依曼结构；在单片机中，我们把程序代码烧写到Flash（NorFlash）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。这种就叫哈佛结构。

4.1.1.4、动态内存DRAM和静态内存SRAM DRAM是动态内存，SRAM是静态内存。详细细节自己baidu 4.1.1.5、总结：为什么需要内存呢 内存是用来存储可变数据的，数据在程序中表现为全局变量、局部变量等（在gcc中，其实常量也是存储在内存中的）（大部分单片机中，常量是存储在flash中的，也就是在代码段），对我们写程序来说非常重要，对程序运行更是本质相关。 所以内存对程序来说几乎是本质需求。越简单的程序需要越少的内存，而越庞大越复杂的程序需要更多的内存。内存管理是我们写程序时很重要的话题。我们以前学过的了解过的很多编程的关键其实都是为了内存，譬如说数据结构（数据结构是研究数据如何组织的，数据是放在内存中的）和算法（算法是为了用更优秀更有效的方法来加工数据，既然跟数据有关就离不开内存）。 4.1.1.6、深入思考：如何管理内存（无OS时，有OS时） 对于计算机来说，内存容量越大则可能性越大，所以大家都希望自己的电脑内存更大。我们写程序时如何管理内存就成了很大的问题。如果管理不善，可能会造成程序运行消耗过多的内存，这样迟早内存都被你这个程序吃光了，当没有内存可用时程序就会崩溃。所以内存对程序来说是一种资源，所以管理内存对程序来说是一个重要技术和话题。 先从操作系统角度讲：操作系统掌握所有的硬件内存，因为内存很大，所以操作系统把内存分成1个1个的页面（其实就是一块，一般是4KB），然后以页面为单位来管理。页面内用更细小的方式来以字节为单位管理。操作系统内存管理的原理非常麻烦、非常复杂、非常不人性化。那么对我们这些使用操作系统的人来说，其实不需要了解这些细节。操作系统给我们提供了内存管理的一些接口，我们只需要用API即可管理内存。 譬如在C语言中使用malloc free这些接口来管理内存。 没有操作系统时：在没有操作系统（其实就是裸机程序）中，程序需要直接操作内存，编程者需要自己计算内存的使用和安排。如果编程者不小心把内存用错了，错误结果需要自己承担。 再从语言角度来讲：不同的语言提供了不同的操作内存的接口。 譬如汇编：根本没有任何内存管理，内存管理全靠程序员自己，汇编中操作内存时直接使用内存地址（譬如0xd0020010），非常麻烦； 譬如C语言：C语言中编译器帮我们管理直接内存地址，我们都是通过编译器提供的变量名等来访问内存的，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。裸机程序中需要大块的内存需要自己来定义数组等来解决。 譬如C++语言：C++语言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），然后使用完了用delete来删除对象（其实就是释放内存）。所以C++语言对内存的管理比C要高级一些，容易一些。但是C++中内存的管理还是靠程序员自己来做。如果程序员new了一个对象，但是用完了忘记delete就会造成这个对象占用的内存不能释放，这就是内存泄漏。 Java/C#等语言：这些语言不直接操作内存，而是通过虚拟机来操作内存。这样虚拟机作为我们程序员的代理，来帮我们处理内存的释放工作。如果我的程序申请了内存，使用完成后忘记释放，则虚拟机会帮我释放掉这些内存。听起来似乎C# java等语言比C/C++有优势，但是其实他这个虚拟机回收内存是需要付出一定代价的，所以说语言没有好坏，只有适

应不适应。当我们程序对性能非常在乎的时候（譬如操作系统内核）就会用C/C++语言；当我们对开发程序的速度非常在乎的时候，就会用Java/C#等语言。

4.1.3.位、字节、半字、字的概念和内存位宽 4.1.3.1、什么是内存？（硬件和逻辑两个角度） 从硬件角度：内存实际上是电脑的一个配件（一般叫内存条）。根据不同的硬件实现原理还可以把内存分成SRAM和DRAM（DRAM又有好多代，譬如最早的SDRAM，后来的DDR1、DDR2·····、LPDDR） 从逻辑角度：内存是这样一种东西，它可以随机访问（随机访问的意思是只要给一个地址，就可以访问这个内存地址）、并且可以读写（当然了逻辑上也可以限制其为只读或者只写）；内存在编程中天然是用来存放变量的（就是因为有了内存，所以C语言才能定义变量，C语言中的一个变量实际就对应内存中的一个单元）。 4.1.3.2、内存的逻辑抽象图（内存的编程模型） 从逻辑角度来讲，内存实际上是由无限多个内存单元格组成的，每个单元格有一个固定的地址叫内存地址，这个内存地址和这个内存单元格唯一对应且永久绑定。 以大楼来类比内存是最合适的。逻辑上的内存就好象是一栋无限大的大楼，内存的单元格就好象大楼中的一个个小房间。每个内存单元格的地址就好象每个小房间的房间号。内存中存储的内容就好象住在房间中的人一样。 逻辑上来说，内存可以有无限大（因为数学上编号永远可以增加，无尽头）。但是现实中实际的内存大小是有限制的，譬如32位的系统（32位系统指的是32位数据线，但是一般地址线也是32位，这个地址线32位决定了内存地址只能有32位二进制，所以逻辑上的大小为2的32次方）内存限制就为4G。实际上32位的系统中可用的内存是小于等于4G的（譬如我32位CPU装32位windows，但实际电脑只有512M内存） 4.1.3.3、位和字节 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） 在所有的计算机、所有的机器中（不管是32位系统还是16位系统还是以后的64位系统），位永远都是1bit，字节永远都是8bit。 4.1.3.4、字和半字 历史上曾经出现过16位系统、32位系统、64位系统三种，而且操作系统还有windows、linux、iOS等很多，所以很多的概念在历史上曾经被混乱的定义过。 建议大家对字、半字、双字这些概念不要详细区分，只要知道这些单位具体有多少位是依赖于平台的。实际工作中在每种平台上先去搞清楚这个平台的定义（字是多少位，半字永远是字的一半，双字永远是字的2倍大小）。 编程时一般根本用不到字这个概念，那我们区分这个概念主要是因为有些文档中会用到这些概念，如果不加区别可能会造成你对程序的误解。 在linux+ARM这个软硬件平台上（我们嵌入式核心课的所有课程中），字是32位的。

4.1.3.5、内存位宽（硬件和逻辑两个角度） 从硬件角度讲：硬件内存的实现本身是有宽度的，也就是说有些内存条就是8位的，而有些就是16位的。那么需要强调的是内存芯片之间是可以并联的，通过并联后即使8位的内存芯片也可以做出来16位或32位的硬件内存。 从逻辑角度讲：内存位宽在逻辑上是任意的，甚至逻辑上存在内存位宽是24位的内存