内存漫谈

桃扇骨 2022-06-06 09:20 180阅读 0赞

内存编址和寻址，内存对齐  
内存编址方法：  
内存逻辑上就是一个一个个字，格子上有编号，编号就是地址  
在程序运行时，CPU只认识内存地址，不关心地址所代表的空间在哪里  
关键：内存编址是以字节为单位的  
我随便说一个数字7，说这个数字是一个内存地址，然后问你这个内存地址对应的空间有多大？答案是固定的，就是一个字节

内存和数据类型的关系：  
C语音的基本数据类型：char,short,int,long,float,double  
int （这个整就体现了它和CPU本身的数据位宽是一样的）比如32位CPU，就是32位

在32位系统中定义变量最好使用int,因为这样效率高，原因就在于32位的系统本身配合内存等也是32位，这样的硬件配置天生适合定义32位的int类型变量  
效率最高，也能一定8位的char,或者16位的short，但实际上访问效率不高。  
在32位环境下，我们实际定义bool类型变量（实际只需要1个bit就够了），但其实都是用int来实现bool,也就是说我们定义一个bool b1;时，  
编译器实际帮我们分配了32位的内存来存储这个bool b1,编译器这么做实际上浪费了31位内存，但好处就是效率高。

内存对齐：  
定义一个int a  
思路：  
1：0 1 2 3（对齐）  
2：1 2 3 4（非对其访问）  
逻辑上都没问题，但从硬件角度看0123是一个单元，在硬件上是合适的，效率就高  
因为硬件都是提供兼容性问题，提供非对齐访问，但是效率要低很多

一个int a\[\]数组：  
a代表数组的首地址4，首单元为7654：  
ba98  
7654  
3210

C语言如何操作内存：  
int a;//gcc会申请一个32位4个字节的内存地址，并用a符号表示，申请的内存地址只有编译器知道。  
a = 5; //编译器会把5这个值丢到a绑定的内存空间里  
a +=4;//编译器会先把a原来的值读出来，然后再加后再把结果放到内存格子里  
C语言中数据类型的本质的含义：表示一个内存格子的长度和解析方法：  
例如：(int \*)0,指定了以0为开始的地址向后延伸32位，(char)0表示延伸1个字节内存格子  
解析方法：  
例如：int 0x30000000 0x30000001 0x30000002 0x300000034个字节用int形式来解析  
（float）0x30000000 0x30000001 0x30000002 0x3000000344个字节用float来解析

C语言中的函数，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。函数名的本质就是内存地址

用指针来简介访问内存：  
关于类型，不管是int,float还是指针类型，还是int \*类型：  
类型只是对后面数字或者符号(代表的是内存地址)所表征的内存的一种长度和解析方法规定而已：  
指针变量和普通变量没有什么区别，例如int a和int\* p,a和p都代表了内存地址（0x30000000），  
int a表示a是int型,所以a的长度是4字节，解析方法是按照int的规定来；  
int\* p表示p是int\*类型，所以长度是4字节，解析方法是按照int\*规定来(0x30000000开头的连续4个字节中存储了一个地址，这个地址所代表的内存单元存放的是  
一个int类型的数)  
引申：  
数组管理内存的变量其实没有本质区别，只是符号的解析方法不同  
int a; //分配了4字节，把首地址给了a  
int b\[10\] //分配了40字节，把首元素的首地址给了b

数据结构这门学问的意义：  
数据结构就是研究数据如何组织(在内存中排布)，如何加工的学问

结构体内嵌指针实现面向对象：  
struct s  
\{  
int age;  
void (\*pFunc)(void); //函数指针，指向void func(void)这类的函数  
\};  
这样使用的结构体就可以实现面向对象。  
这样包含了函数指针的结构就类似于面向对象中的class，结构体中的函数指针类似于class中的成员方法。

内存管理之栈（stack）：  
栈是一种数据结构，C语言中使用栈用来保存局部变量。栈是被发明出来管理内存的。  
栈管理内存的特点：  
先进后出，FILO  
C语言中的局部变量就是用栈了实现的。  
我们定义一个局部变量int a,编译器就在栈中分配一段空间(4字节)给局部变量用，分配时栈顶指针会移动给出空间，给局部变量a用的意思就是，  
将这4个字节的栈内存的内存地址和我们定义的局部变量名a给关联起来，对应栈的操作就是入栈。  
注意：这里栈的移动和内存分配是自动的(栈自己完成，不用我们去写代码)  
然后等我们函数退出的时候，局部变量要灭亡，对应栈的操作就是出栈。

栈的优点：栈管理内存，好处就是方便，分配和最后回收都不用程序员操心，C语言自动完成。  
分析一个细节，C语言定义局部变量时如果未初始化，则值是随机的，为什么？  
定义一个局部变量，栈指针只是移动，并没有去清空内存中的值，而栈是反复使用的，所以都是脏数据

栈的缺点（预定栈大小不灵活，怕溢出）：  
栈是有大小的，不好设置，  
其次，栈的溢出危害很大，所以我们在C语言定义局部变量时不能定义太多或者太大，例如int a\[100000\];使用递归解决问题时，注意递归收敛。

内存管理之堆（heap）:  
堆是一种内存管理方式，内存管理对操作系统来说是一件非常复杂的事情，因为内存容量大，其次内存需求在时间和大小块上没有规律，当有几十个进程运行时更复杂。  
堆这种内存管理方式的特点就是自由(随时申请，释放，大小块随意)。堆内存是操作系统划归给堆管理器(操作系统中的一段代码，属于操作系统的内存管理单元)来管理，  
然后向使用者(用户进程)提供API(malloc和free)来使用堆内存。

我们什么时候使用堆内存？  
需要内存容量比较大时，需要反复使用及释放时，比如int a\[1000\],这样最好先malloc内存，因为占用了4000个字节，还有很多数据结构，链表，二叉树等

堆的特点：  
1.容量不限(常规使用的需求容量都能满足)  
2.申请即释放都要手工进行，就是malloc及free,如果程序员申请内存并使用后未释放，这段内存就丢失了（在堆管理器的记录中，这段内存仍然  
属于你这个进程，但是进程自己又以为这段内存已经不用了，再用的时候又去申请新的内存块），称为内存泄漏。

C语音操作堆内存的接口  
释放：void free(void\* ptr)//直接传一个指针就可以  
堆内存的申请:malloc,calloc,realloc  
void\* malloc(size\_t size) //直接申请10字节 malloc（10），长度  
malloc(40) == malloc(10\*sizeof(int))//32位下的是相等的，64位下是80字节了

void\* calloc(size\_t nemmb,size\_t size)//size\_t nemmb，个数  
calloc(10,4) calloc(10,sizeof(int))

void\* realloc(void\* ptr,,size\_t size)

数组定义时必须同时给出数组元素个数，而且一旦定义再无法更改。在java语言中，有一些技巧可以更改数组大小，  
但都是障眼法，都是先申请另外一个数组，然后把原来的数组的值放进来，然后再释放掉原来的数组。

堆内存申请时必须给定大小，一旦申请完成，需要更改使用realloc接口，实现和上面的一样。

堆的优势和劣势：管理大块内存，灵活，但容易内存泄漏

冯诺依曼结构：数据和代码放在一起，运行程序时，应用程序的代码和数据都在DRAM中。  
哈弗结构：数据和代码是分开的，代码放在Flash中，数据放在RAM（不需要初始化，所以只有SRAM）。  
如果只有代码没有数据，则只需要在Flash中运行就可以了。不需要RAM

数据：全局变量和局部变量，常量  
在gcc中存在内存中  
在单片机中，在flash（闪存）中  
内存和闪存的关系：闪存式内存中的一种，但是内存需要供电，而闪存不需要供电维持

动态内存DRAM（需要初始化才能用，然后又分好多代，根据不同需要求，比如手机用的LPDDR低功耗）和静态内存SRAM（不需要初始化，可以直接使用）

为什么需要内存：  
因为内存是用来存储可变数据的，

怎么管理内存，如果有操作系统：  
操作系统怎么管理：  
因为内存很大，所以操作系统把内存分成1个1个页面，（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以字节为单位管理，其实不需要了解这些细节，只需了解操作系统给我们提供了内存管理的  
的一些接口，我们只需要用API管理即可。  
譬如C语音使用malloc free这些接口来管理内存。

如果在没有操作系统时，程序需要直接操作内存，编程者需要计算内存的使用和安排，如果编程者不小心把内存用错，错误结果自己承担。

从语言角度来看内存：  
汇编：没有任何内存管理，直接操作某个内存地址。  
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比如(int a),a就是访问内存地址，而不是直接使用内存地址。  
如果需要大块内存，可以通过API（malloc free）来访问系统内存。

C++语音对内存的使用进一步封装，我们可以使用new 来创建对象(其实就是为对象分配内存)  
但C++中内存的管理还是靠程序员自己来做，new后需要delete

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处理，来帮我们  
处理内存的释放工作。

什么是内存：  
从硬件角度：就是内存条，根据不同硬件实现原理分为SRAM和DRAM  
从逻辑角度：内存就是一种东西，可以随机访问Random-Access Memory(RAM),随机访问意思是（只要给一个地址，就可以访问这个内存地址）  
并且可以读写（当然逻辑上可以限制只读，只写）

逻辑上来说，内存可以有无限大，但是现实中是有限制的：  
譬如32位系统，限制就为4G，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位内存地址就只能有32位二进制，所以限制就为4G  
32位逻辑图，16位，8位 每一个单元格8位，8位也可以通过并联来变成32位  
ba98 54 2  
7654 32 1  
3210 10 0  
为啥这样实现都是硬件的问题，这样处理起来更简单，很多都受限于硬件特性

内存单元大小单位有4个：位（1bit）,字节(8bit),半字(一般16bit),字(32bit)  
位和字节是不变的

字和半字  
有个概念就行了

汇编：  
一个汇编指令代表一串2进制  
汇编语言是跟CPU有关的，有些汇编指令在另外一个CPU不适用。  
为了可移植性，就发明了高级语言，C语言  
汇编通过汇编器翻译将这些源代码变成二进制，然后给CPU运行。  
C语言通过编译器翻译将这些源代码变成二进制，然后给CPU运行。

编辑语言的关键就是编译器，yacc和lex工具就是用来发明编程语言的。

预处理器：  
预处理器中处理程序注释，空行，文件头\#include