第一部分、章节目录

1.程序中内存从哪里来1

2.程序中内存从哪里来2

3.程序中内存从哪里来3

4.C语言的字符串类型

5.字符串和字符数组的细节

第二部分、章节介绍

2.1.程序中内存从哪里来1

本节首先引出程序运行时对内存的依赖，然后分析这些变量需要的内存从哪里来，进而引出栈、堆、数据区这几个重要的内存来源，并详解栈内存分配及使用的细节。

2.2.程序中内存从哪里来2

本节详细讲解堆内存的特点和使用，写代码带大家来学会使用malloc、free函数获取及释放堆内存，并且讲解了堆内存的一些编程细节。

2.3.程序中内存从哪里来3

本节首先引入代码段、数据段、bss段等概念，然后重点分析了数据段和bss段与C语言编程变量的关系，最后给大家总结了程序通过数据段方式获取内存的原理和使用细节。

2.4.C语言的字符串类型

本节讲述C语言字符串类型的本质，着重解释了C语言字符串的三个特点：指针指向头、固定结尾、内存相连分布。

2.5.字符串和字符数组的细节

本节讲述字符串和字符数组及其各种初始化式，然后结合sizeof运算符和strlen函数，通过代码实践试图让大家理解字符串和字符数组的具体表现。

第三部分、随堂记录

3.1.程序中内存从哪里来1

3.1.1、程序执行需要内存支持

对程序来说，内存就是程序的立足之地(程序是被放在内存中运行的)；程序运行时需要内存来存储一些临时变量。

3.1.2、内存管理最终是由操作系统完成的

(1)内存本身在物理上是一个硬件器件，由硬件系统提供。

(2)内存是由操作系统统一管理。为了内存管理方便又合理，操作系统提供了多种机制来让我们应用程序使用内存。这些机制彼此不同，各自有各自的特点，我们程序根据自己的实际情况来选择某种方式获取内存(在操作系统处登记这块内存的临时使用权限)、使用内存、释放内存(向操作系统归还这块内存的使用权限)。

3.1.3、三种内存来源：栈(stack)、堆(heap)、数据区(.data)

在一个C语言程序中，能够获取的内存就是三种情况：栈(stack)、堆(heap)、数据区(.data)

3.1.4、栈的详解

运行时自动分配&自动回收：栈是自动管理的，程序员不需要手工干预。方便简单。

反复使用：栈内存在程序中其实就是那一块空间，程序反复使用这一块空间。

脏内存：栈内存由于反复使用，每次使用后程序不会去清理，因此分配到时保留原来的值。

临时性：(函数不能返回栈变量的指针，因为这个空间是临时的)

栈会溢出：因为操作系统事先给定了栈的大小，如果在函数中无穷尽的分配栈内存总能用完。

3.2.程序中内存从哪里来2

3.2.1、堆内存详解

操作系统堆管理器管理：堆管理器是操作系统的一个模块，堆管理内存分配灵活，按需分配。

大块内存：堆内存管理者总量很大的操作系统内存块，各进程可以按需申请使用，使用完释放。

程序手动申请&释放：手工意思是需要写代码去申请malloc和释放free。

脏内存：堆内存也是反复使用的，而且使用者用完释放前不会清除，因此也是脏的。

临时性：堆内存只在malloc和free之间属于我这个进程，而可以访问。在malloc之前和free之后都不能再访问，否则会有不可预料的后果。

3.2.2、堆内存使用范例

(1)void *是个指针类型，malloc返回的是一个void *类型的指针，实质上malloc返回的是堆管理器分配给我本次申请的那段内存空间的首地址(malloc返回的值其实是一个数字，这个数字表示一个内存地址)。为什么要使用void *作为类型？主要原因是malloc帮我们分配内存时只是分配了内存空间，至于这段空间将来用来存储什么类型的元素malloc是不关心的，由我们程序自己来决定。

(2)什么是void类型。早期被翻译成空型，这个翻译非常不好，会误导人。void类型不表示没有类型，而表示万能类型。void的意思就是说这个数据的类型当前是不确定的，在需要的时候可以再去指定它的具体类型。void *类型是一个指针类型，这个指针本身占4个字节，但是指针指向的类型是不确定的，换句话说这个指针在需要的时候可以被强制转化成其他任何一种确定类型的指针，也就是说这个指针可以指向任何类型的元素。

(3)malloc的返回值：成功申请空间后返回这个内存空间的指针，申请失败时返回NULL。所以malloc获取的内存指针使用前一定要先检验是否为NULL。

(4)malloc申请的内存时用完后要free释放。free(p);会告诉堆管理器这段内存我用完了你可以回收了。堆管理器回收了这段内存后这段内存当前进程就不应该再使用了。因为释放后堆管理器就可能把这段内存再次分配给别的进程，所以你就不能再使用了。

(5)再调用free归还这段内存之前，指向这段内存的指针p一定不能丢(也就是不能给p另外赋值)。因为p一旦丢失这段malloc来的内存就永远的丢失了(内存泄漏)，直到当前程序结束时操作系统才会回收这段内存。

3.2.3、malloc的一些细节表现

malloc(0)

malloc申请0字节内存本身就是一件无厘头事情，一般不会碰到这个需要。

如果真的malloc(0)返回的是NULL还是一个有效指针？答案是：实际分配了16Byte的一段内存并且返回了这段内存的地址。这个答案不是确定的，因为C语言并没有明确规定malloc(0)时的表现，由各malloc函数库的实现者来定义。

malloc(4)

gcc中的malloc默认最小是以16B为分配单位的。如果malloc小于16B的大小时都会返回一个16字节的大小的内存。malloc实现时没有实现任意自己的分配而是允许一些大小的块内存的分配。

malloc(20)去访问第25、第250、第2500····会怎么样

实战中：120字节处正确，1200字节处正确····终于继续往后访问总有一个数字处开始段错误了。

3.3.程序中内存从哪里来3

3.3.1、代码段、数据段、bss段

(1)编译器在编译程序的时候，将程序中的所有的元素分成了一些组成部分，各部分构成一个段，所以说段是可执行程序的组成部分。

(2)代码段：代码段就是程序中的可执行部分，直观理解代码段就是函数堆叠组成的。

(3)数据段(也被称为数据区、静态数据区、静态区)：数据段就是程序中的数据，直观理解就是C语言程序中的全局变量。(注意：全局变量才算是程序的数据，局部变量不算程序的数据，只能算是函数的数据)

(4)bss段(又叫ZI(zero initial)段)：bss段的特点就是被初始化为0，bss段本质上也是属于数据段，bss段就是被初始化为0的数据段。

注意区分：数据段(.data)和bss段的区别和联系：二者本来没有本质区别，都是用来存放C程序中的全局变量的。区别在于把显示初始化为非零的全局变量存在.data段中，而把显式初始化为0或者并未显式初始化(C语言规定未显式初始化的全局变量值默认为0)的全局变量存在bss段。

3.3.2、有些特殊数据会被放到代码段

(1)C语言中使用char *p = "linux";定义字符串时，字符串"linux"实际被分配在代码段，也就是说这个"linux"字符串实际上是一个常量字符串而不是变量字符串。

(2)const型常量：C语言中const关键字用来定义常量，常量就是不能被改变的量。const的实现方法至少有2种：第一种就是编译将const修饰的变量放在代码段去以实现不能修改(普遍见于各种单片机的编译器)；第二种就是由编译器来检查以确保const型的常量不会被修改，实际上const型的常量还是和普通变量一样放在数据段的(gcc中就是这样实现的)。

3.3.3、显式初始化为非零的全局变量和静态局部变量放在数据段

(1)放在.data段的变量有2种：第一种是显式初始化为非零的全局变量。第二种是静态局部变量，也就是static修饰的局部变量。(普通局部变量分配在栈上，静态局部变量分配在.data段)

3.3.4、未初始化或显式初始化为0的全局变量放在bss段

(1)bss段和.data段并没有本质区别，几乎可以不用明确去区分这两种。

3.3.5、总结：C语言中所有变量和常量所使用的内存无非以上三种情况。

(1)相同点：三种获取内存的方法，都可以给程序提供可用内存，都可以用来定义变量给程序用。

(2)不同点：栈内存对应C中的普通局部变量(别的变量还用不了栈，而且栈是自动的，由编译器和运行时环境共同来提供服务的，程序员无法手工控制)；堆内存完全是独立于我们的程序存在和管理的，程序需要内存时可以去手工申请malloc，使用完成后必须尽快free释放。(堆内存对程序就好象公共图书馆对于人)；数据段对于程序来说对应C程序中的全局变量和静态局部变量。

(3)如果我需要一段内存来存储数据，我究竟应该把这个数据存储在哪里？(或者说我要定义一个变量，我究竟应该定义为局部变量还是全局变量还是用malloc来实现)。不同的存储方式有不同的特点，简单总结如下：

函数内部临时使用，出了函数不会用到，就定义局部变量，堆内存和数据段几乎拥有完全相同的属性，大部分时候是可以完全替换的。但是生命周期不一堆内存的生命周期是从malloc开始到free结束，而全局变量是从整个程序一开始执行就开始，直到整个程序结束才会消灭，伴随程序运行的一生。启示：如果你这个变量只是在程序的一个阶段有用，用完就不用了，就适合用堆内存；如果这个变量本身和程序是一生相伴的，那就适合用全局变量。(堆内存就好象租房、数据段就好象买房。堆内存就好象图书馆借书，数据段就好象自己书店买书)你以后会慢慢发现：买不如租，堆内存的使用比全局变量广泛。

3.4.C语言的字符串类型

3.4.1、C语言没有原生字符串类型

(1)很多高级语言像java、C#等就有字符串类型，有个String来表示字符串，用法和int这些很像，可以String s1 = "linux";来定义字符串类型的变量。

(2)C语言没有String类型，C语言中的字符串是通过字符指针来间接实现的。

3.4.2、C语言使用指针来管理字符串

(1)C语言中定义字符串方法：char *p = "linux";此时p就叫做字符串，但是实际上p只是一个字符指针(本质上就是一个指针变量，只是p指向了一个字符串的起始地址而已)。

3.4.3、C语言中字符串的本质：指针指向头、固定尾部的地址相连的一段内存

(1)字符串就是一串字符。字符反映在现实中就是文字、符号、数字等人用来表达的字符，反映在编程中字符就是字符类型的变量。C语言中使用ASCII编码对字符进行编程，编码后可以用char型变量来表示一个字符。字符串就是多个字符打包在一起共同组成的。

(2)字符串在内存中其实就是多个字节连续分布构成的(类似于数组，字符串和字符数组非常像)

(3)C语言中字符串有3个核心要点：第一是用一个指针指向字符串头；第二是固定尾部(字符串总是以'\0'来结尾)；第三是组成字符串的各字符彼此地址相连。

(4)'\0'是一个ASCII字符，其实就是编码为0的那个字符(真正的0，和数字0是不同的，数字0有它自己的ASCII编码)。要注意区分'\0'和'0'和0.(0等于'\0'，'0'等于48)

(5)'\0'作为一个特殊的数字被字符串定义为(幸运的选为)结尾标志。产生的副作用就是：字符串中无法包含'\0'这个字符。(C语言中不可能存在一个包含'\0'字符的字符串)，这种思路就叫“魔数”(魔数就是选出来的一个特殊的数字，这个数字表示一个特殊的含义，你的正式内容中不能包含这个魔数作为内容)。

3.4.4、注意：指向字符串的指针和字符串本身是分开的两个东西

(1)char *p = "linux";在这段代码中，p本质上是一个字符指针，占4字节；"linux"分配在代码段，占6个字节；实际上总共耗费了10个字节，这10个字节中：4字节的指针p叫做字符串指针(用来指向字符串的，理解为字符串的引子，但是它本身不是字符串)，5字节的用来存linux这5个字符的内存才是真正的字符串，最后一个用来存'\0'的内存是字符串结尾标志(本质上也不属于字符串)。

3.4.5、存储多个字符的2种方式：字符串和字符数组

(1)我们有多个连续字符(典型就是linux这个字符串)需要存储，实际上有两种方式：第一种就是字符串；第二种是字符数组。

3.5.字符串和字符数组的细节

3.5.1、字符数组初始化与sizeof、strlen

(1)sizeof是C语言的一个关键字，也是C语言的一个运算符(sizeof使用时是sizeof(类型或变量名)，所以很多人误以为sizeof是函数，其实不是)，sizeof运算符用来返回一个类型或者是变量所占用的内存字节数。为什么需要sizeof？主要原因一是int、double等原生类型占几个字节和平台有关；二是C语言中除了ADT之外还有UDT，这些用户自定义类型占几个字节无法一眼看出，所以用sizeof运算符来让编译器帮忙计算。

(2)strlen是一个C语言库函数，这个库函数的原型是：size_t strlen(const char *s);这个函数接收一个字符串的指针，返回这个字符串的长度(以字节为单位)。注意一点是：strlen返回的字符串长度是不包含字符串结尾的'\0'的。我们为什么需要strlen库函数？因为从字符串的定义(指针指向头、固定结尾、中间依次相连)可以看出无法直接得到字符串的长度，需要用strlen函数来计算得到字符串的长度。

(3)sizeof(数组名)得到的永远是数组的元素个数(也就是数组的大小)，和数组中有无初始化，初始化多、少等是没有关系的；strlen是用来计算字符串的长度的，只能传递合法的字符串进去才有意义，如果随便传递一个字符指针，但是这个字符指针并不是字符串是没有意义的。

(4)当我们定义数组时如果没有明确给出数组大小，则必须同时给出初始化式，编译器会根据初始化式去自动计算数组的大小(数组定义时必须给出大小，要么直接给，要么给初始化式)

3.5.2、字符串初始化与sizeof、strlen

(1)char *p = "linux"; sizeof(p)得到的永远是4，因为这时候sizeof测的是字符指针p本身的长度，和字符串的长度是无关的。

(2)strlen刚好用来计算字符串的长度。

3.5.3、字符数组与字符串的本质差异(内存分配角度)

(1)字符数组char a[] = "linux";来说，定义了一个数组a，数组a占6字节，右值"linux"本身只存在于编译器中，编译器将它用来初始化字符数组a后丢弃掉(也就是说内存中是没有"linux"这个字符串的)；这句就相当于是：char a[] = {'l', 'i', 'n', 'u', 'x', '\0'};

(2)字符串char *p = "linux";定义了一个字符指针p，p占4字节，分配在栈上；同时还定义了一个字符串"linux"，分配在代码段；然后把代码段中的字符串(一共占6字节)的首地址(也就是'l'的地址)赋值给p。

总结对比：字符数组和字符串有本质差别。字符数组本身是数组，数组自身自带内存空间，可以用来存东西(所以数组类似于容器)；而字符串本身是指针，本身永远只占4字节，而且这4个字节还不能用来存有效数据，所以只能把有效数据存到别的地方，然后把地址存在p中。

也就是说字符数组自己存那些字符；字符串一定需要额外的内存来存那些字符，字符串本身只存真正的那些字符所在的内存空间的首地址。