存储类别、链接和内存管理

1 存储类别

C 语言提供多种不同的模型或者存储类别在内存中储存数据。

硬件角度

被储存的每个值都占用一定的物理内存(这一块的内存称为对象，需要区别 cpp 的对象)

对象可储存一个或多个值。一个对象可能并未储存实际的值，但在储存适当的值时具有一定相应的大小。

软件角度

需要一种方法访问对象，可通过声明变量来进行。

1.1 作用域

作用域描述程序中可访问标识符区域。

块：一对花括号括起来的代码区域。

C 变量的作用域有 块作用域、函数作用域、函数原型作用域或文件作用域。

块作用域(局部变量)：声明在语句块中的变量，在语句块中可见可用。常见的块语句：for循环、while循环、do while循环和if语句。

函数作用域：声明在函数体内，函数体内可用。仅用于 goto语句 的标签。

函数原型作用域：形参定义到原型声明结束，仅仅在函数原型的括号() 里面可用。

文件作用域(全局变量)：变量定义在函数的外面，从定义到文件末尾可见。

1.2 链接

C 语言中变量有 3 种链接属性：外部链接、内部链接 和 无链接。

外部链接可在多文件程序中使用，内部链接只能在当前单元使用。

无链接变量：块作用域、函数作用域、函数原型作用域

文件作用域中的变量可以是外部链接或内部链接。

存储类别说明符 static 可区分外部链接和内部链接。

int a = 6; // 外部链接
static int b = 5;// 内部链接

1.3 存储期

作用域和链接描述了标识符的可见性。

存储期 描述了 标识符访问的对象的生存周期。

C 语言中对象的 4 种存储期：静态存储期、线程存储期、自动存储期、动态分配存储期。

静态存储期:在程序执行期间会一直存在。文件作用域变量具有静态存储期。

线程存储期：用于并发程序设计，程序执行可分为多个线程。具有线程存储期的对象，从被声明时到线程结束一直存在。

自动存储期：自动把变量占用的内存视为一个可重复使用的工作区或暂存区。⚠️ 注意点：变长数组的存储期是从声明处到块的末尾。常见的情况：局部变量

1.4 自动变量

声明在块或函数头中的任何变量都属于自动存储类别(默认情况)。

可以使用 关键字auto 显式定义并使用自动变量。

auto 是存储类别说明符，为了考虑 C/C++程序的兼容性问题，一般不建议使用。

没有花括号的块

不是所有的代码块的都有花括号的，例如 if 和 for 语句。

自动变量的初始化

自动变量不会初始化，除非使用显式初始化。

int a; //仅仅分配内存空间，值未知(不一定是默认值0，可能是非常量表达式初始化自动变量)
int b = 7; //变量被初始化，分配了内存空间和初始值

1.5 寄存器变量

变量通常是存储在计算机内存中。

目的：加快访问和处理变量的速度(加快计算速度)。

寄存器变量存储在寄存器中而非内存中，故无法获取寄存器变量的地址。

使用存储器类别说明符 register 便可声明寄存器变量。

void macho(register int n)

在函数头中使用 关键字regsiter ,便可请求形参是寄存器变量。

1.6 块作用域的静态变量

静态：变量在内存中地址固定，不是值不动。

具有文件作用域的自动变量必须具有静态存储期。

也称为内部静态存储类别(函数内部，而非内部链接)。

1.7 外部链接的静态变量

外部链接的静态变量具有文件作用域、外部链接和静态存储期。也称为 外部存储类别。

变量称为外部变量(变量的定义性声明放在函数的外部)。

为了说明外部变量，一般在函数中使用 关键字 extern 说明。

如果代码文件使用的外部变量定义在另一个代码文件中，则必须使用 extern 在该文件中声明该变量。

外部变量域自动变量类似，可被显式初始化。

区别：外部变量如果未初始化，会被自动初始化为 0。

⚠️ 注意：外部变量只能初始化一次，且必须在定义该变量时进行。

1.8 内部链接的静态变量

只能用于同一个文件中的函数。

用存储类别说明符 static 定义变量具有静态存储期、文件作用域和内部链接。

static int val = 1; // 静态变量，内部链接

使用存储类别说明符 extern 在函数中重复声明任何具有文件作用域的变量。

该类型的声明不会改变其链接属性。

当 static 修饰全局变量时，会使变量的作用域限制在声明它的文件内。

1.9 存储类别说明符

C 语言中 6 个存储类别说明符关键字：

• auto

  自动存储期，只能用于块作用域的变量声明中。

  主要为了明确表达要使用域外部变量同名的局部变量的意图。

• register

  用于块作用域的变量。归类为寄存器。

• static

  说明符创建的对象具有静态存储期，载入程序时创建对象，当程序结束时对象消失。

• extern
• _Thread_local
• typedef

1.10 存储类别和函数

函数也分为外部函数或静态函数。

• 外部函数可被其他文件的函数访问
• 静态函数只能用于其定义所在的文件。

一般使用 extern关键字 声明定义在其他文件中的函数。

目的：表明在当前文件中使用的函数被定义在别处(该文件的外部)。

除非使用 static关键字，否则一般函数声明都默认为 extern。

1.11 存储类别的选择

保护性程序设计的黄金法则：“按需知道” 原则。

尽量在函数内部解决该函数的任务，只共享某些需要共享的变量。

1.12 总结：五种存储类别

2 随机数函数和静态变量

内部链接的静态变量的函数：随机数函数。

ANSI C 库提供 rand() 函数生成随机数。

3 分配内存：malloc() 和 free()

malloc() 和 free() 函数原型都在 stdlib.h 头文件中。

3.1 malloc() 函数

malloc()函数:可在程序运行时分配更多的内存。

接受一个参数：所需的内存字节数。

找到合适的空闲内存块，⚠️ 注意：内存是匿名(分配内存，但不会为其赋名)。

返回动态分配内存块的首字节地址。

malloc()函数 可用于返回指向数组的指针、指向结构的指针等。

声明一个指针，调用 malloc()，将其返回值赋给指针，使用指针访问数组的元素(指针是静态或自动)。

👉Notes：malloc() 必须和 free() 函数配套使用。malloc 申请的内存块，必须要用 free() 去释放，否则会造成内存泄漏。

free() 函数的参数是 malloc()返回的地址。

3.2 free() 函数

静态内存的数量在编译时固定，在程序运行期间不会改变。

自动变量使用的内存数量在程序运行期间自动增加或减少。

动态分配的内存数量只会增加，除非使用 free() 函数来释放。

不能用free() 释放通过其它方式分配的内存。

free() 函数位于程序的末尾，释放malloc() 函数分配的内存(参数指向的内存块)。

否则造成内存泄漏。

3.3 calloc() 函数

calloc() 函数 可进行内存分配。

语法格式：

void *calloc(size_t nitems, size_t size)

接受两个无符号整数作为参数(ANSI 规定是 size_t 类型)

nitems – 所需的存储单元个数。

size – 元素的大小(以字节为单位)

calloc 的特性：把块中的所有位置都设置为 0(注意：在某些硬件系统中，不是所有的位都设置为 0 来表示浮点值 0)。

free() 函数 可用于释放 calloc() 分配的内存。

3.4 动态内存分配和变长数组

变长数组(VLA)：自动存储类型。

程序在离开变长数组定义所在的块时，变长数组占用的内存空间会被释放。不必使用 free()。

未使用的内存块分散在已使用的内存块之间。

使用动态内存同时比使用栈内存慢。

4 ANSI C 类型限定符

const 关键字(C90 特性) ——————> 恒常性

volatile 关键字(C90 特性)——————> 易变性

restrict 关键字(C99 特性)——————> 用于提高编译器优化

_Atomic(C11 特性)——————> 支持并发程序设计

以 const关键字 声明的对象，其值不能通过赋值或递增、递减来修改。模式为只读。

4.1 在指针和形参声明中使用 const

• const 放在*的左侧任意位置，限定指针指向的数据不能改变。

const floar *pf; //pf指向的值不能被改变

• const 放在*的右侧，限定指针本身不能改变。

float * const pt; //pt本身的值不能改变

4.2 对全局数据使用 const

const 来对全局变量进行限制，避免更改数据。

一般在文件间共享 const 数据，两个策略：

• 遵循外部变量的常用规则(在一个文件中使用定义式声明，在其他文件中使用引用式声明(用 extern 关键字))。
• 把 const 变量放在一个头文件中，然后在其他文件中包含该头文件。

4.3 volatile 类型限定符(C90)

告知计算机，代理(而不是变量所在的程序)可以改变该变量的值。

被用于硬件地址以及其他程序或同时运行的线程中共享数据。

volatile 变量对编译器的优化有帮助。

4.4 restrict 关键字(C99)

允许编译器优化某部分代码更好地支持计算。 ⚠️ 注意：只能用于指针。表明指针是访问数据对象的唯一且初始的方式。

使用restrict关键字，编译器可以选择捷径优化计算。

可用于函数形参中的指针。

4.5 _Atomic 类型限定符(C11)

并发程序设计把程序执行分成可以同时执行的多个线程。

可选的头文件：stdatomic.h 和 threads.h。

通过各种宏函数来访问原子类型。

当一个线程对一个原子类型的对象执行原子操作时，其他线程不能访问该对象。

小结

int a;
extern int b;
static int c;

void f(int d, register int e) {
    auto int g;
    int h;
    static int i;
    extern int j;
    register int k;
}

下面是对给定代码中各个变量的存储周期、作用域和链接的说明，以Markdown格式呈现：

• 存储周期（Storage Duration）：

  • 静态存储期（Static Storage Duration）：a、c、i 具有静态存储期，它们的生命周期在整个程序运行期间，不会被销毁。
  • 自动存储期（Automatic Storage Duration）：d、e、g、h、k 具有自动存储期，它们的生命周期随着它们所在的函数的执行而创建和销毁。
  • 无法确定存储期：b、j 的存储周期无法确定，因为它们使用了 extern 关键字，可能在其他文件中定义。

• 作用域（Scope）：

  • 文件（全局）作用域：a、b、c、i、j 具有文件作用域，可以在整个文件中访问。
  • 函数 f 作用域：d、e、g、h、k 具有函数 f 的作用域，只能在函数 f 内部访问。

• 链接（Linkage）：

  • 外部链接（External Linkage）：a、b、j 具有外部链接，它们可以在不同的文件中共享。
  • 内部链接（Internal Linkage）：c、i 具有内部链接，它们只能在同一文件中共享，不会被其他文件访问。

需要注意的是，register 关键字用于向编译器建议将变量存储在寄存器中以提高访问速度，但它在C99标准中已被弃用，因此具体实现是否将变量存储在寄存器中取决于编译器。