C/C++心得从内存开始

      因工作与自身各方面需要，开始重新学C，其实说重新也不太准，原来只是大学里面接触过，且还未得多少精髓就转其他开发，不过也正是因此才有了重新学习的必要，基础部分的心得将通过博文记录下来，对于初学者应该有些用处；当然这里只是心得，并不能直接用来学习C，但应该可以少走一些弯路。

      看了不少资料，最终我个人的认识是：C/C++的难点在C，C的精华是指针，想学好指针就要清楚的认识计算机内存。

1.了解内存必要知识

      介绍内存就先从存储单位开始；写这篇文章的时间是在2014年冬季，当时日常生活中我们接触到的存储设备是电脑硬盘、手机内存卡；最常接触的存储单位是MB(读作“兆”)和GB(读作“吉”)。而实际上，计算机语言中最小的存储单位是bit(读作“比特”)，计算机中许多数据的表示都是以二进制做单位的，而1比特就代表一个二进制数位，只能存储0或者1；Byte是计算机中最常用的单位，8bit为1byte，许多地方以1b代表1bit，1B代表1byte。1 Kilobyte等于1000byte(计算机中为二进制计算1kilobyte等于2的十次方byte，也就是1024byte)。下面介绍一些其他单位的换算：

1 kilobyte kB = 1000 (10^3) byte
1 megabyte MB = 1 000 000 (10^6) byte
1 gigabyte GB = 1 000 000 000 (10^9) byte
1 terabyte TB = 1 000 000 000 000 (10^12) byte
1 petabyte PB = 1 000 000 000 000 000 (10^15) byte
1 exabyte EB = 1 000 000 000 000 000 000 (10^18) byte
1 zettabyte ZB = 1 000 000 000 000 000 000 000 (10^21) byte
1 yottabyte YB = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 (10^24) byte
1 brontobyte BB = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (10^27)byte
1 nonabyte NB = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (10^30) byte 

      上面也是存储介质(如：硬盘)厂商使用的单位，而在计算机系统中识别是使用二进制的千来换算，所以识别的时候容量总会小一些，二进制换算如下：

1 kilobyte kB = 1024 (2^10) byte 
1 megabyte MB = 1 048 576 (2^20) byte 
1 gigabyte GB = 1 073 741 824 (2^30) byte 
1 terabyte TB = 1 099 511 627 776 (2^40) byte 
1 petabyte PB = 1 125 899 906 842 624 (2^50) byte 
1 exabyte EB = 1 152 921 504 606 846 976 (2^60) byte 
1 zettabyte ZB = 1 180 591 620 717 411 303 424(2^70) byte 
1 yottabyte YB = 1 208 925 819 614 629 174 706 176 (2^80) byte 
1 brontobyte BB = 1 237 940 039 285 380 274 899 124 224(2^90)byte
1 nonabyte NB = 1 267 650 600 228 229 401 496 703 205 376(2^100) byte 

      当然，其实TB后面的单位基本都用不到，这些东西做个了解，记住计算机系统中除了开始的bit和byte，后面的单位都是前面的1024倍即可；

      32位系统中的32位某些意义上指的是CPU一次能处理的最大位数，每一位的单位为byte，以二进制计算，所以32位系统CPU一次能处理的值为2的32次方，最后得出4GB，所以32位系统支持的理论最大内存为4GB，当然实际情况下可能会小一些。

2.C语言中的数据类型

      数据类型本质是不同大小内存块的别名，且不同的数据类型对应着不同的解析方式，这是我对数据类型的认识，下面举例介绍。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void main()
{
   printf("%d\n",sizeof(int));
   printf("%d\n",sizeof(char));
   system("pause") ;
}

      上面是一个较完整的命令行窗口的代码块，稍微学过C的应该可以看懂上面的代码，printf函数可以在命令行中输出字符串，sizeof函数可以计算类型或者变量在内存中占用的大小(以byte为单位)。 变量是在通过数据类型定义后即占用了该类型对应的内存大小。32位程序下上面代码的运行结果应该如下(其他位数系统可能不同，这里仅以32位系统举例)：

4
1
请按任意键继续. . .

      这说明int类型在内存中占有4byte，char占有1byte。先来说说数字本身，即4和1究竟有什么意义？其实这个数字表明该类型所能表示多少种不同的值，比如int占4字节，也就是32bit，而前面说了，1bit可以表示0和1两种值，那么int可以表示2的32次方种不同的值，即4294967296种不同的值。当然这并不是说int类型最大可以设置为4294967296，因为int类型本身还有负数，实际来说int类型值的范围负数非负数各占一半，即表示范围为：-2147483648至+2147483647;有时候并用不到负数，所有可以在int前面加上unsigned，即unsigned int，这种类型值的范围为：0至+4294967295。可以利用下面代码做测试，在这类数上再加1，就会溢出，会使变量变成其类型的最小值。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void main()
{
    unsigned int ui = 4294967295;
    int i = 2147483647;
    printf("i=%d\n", i);
    printf("ui=%u\n", ui);
    system("pause");
}

      根据以上可以推断，char占用的1byte内存空间可以表示的值范围为-128至+127；同样，unsigned char 可表示的值范围为0-255。那么int和char除了占用的内存空间不同还有什么区别？先看下面的测试代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void main()
{
    int i = 90;
    int j = 'c';
    char a = 100;
    char b = 'b';
    printf("作为整数输出：");
    printf("i=%d,j=%d,a=%d,b=%d\n", i, j, a, b);
    printf("作为字符输出：");
    printf("i=%c,j=%c,a=%c,b=%c\n", i, j, a, b);
    system("pause");
}

      首先，上面这段代码应该是编译通过的，看过C数据类型的都知道，int是存储整数的数据类型，char是存储字符的数据类型，但是上面代码中可以为int类型变量j赋值字符，也可以为char类型变量a赋值整数，且上面4个变量都可以用%d作为整数输出，也都可以用%c作为字符输出。这就是所谓的解析方式了，数据类型除了其分配的内存大小不同，解析方式也不同，而int和char类型的解析方式可以相互间通用。我们都知道计算机最后的数据都会转换为0和1的二进制数据，0到9之间的数字也都是通过二进制转换而来的，那么字符其实也是通过数字转化而来的，二进制到十进制我们可以直接计算出来，但数字到字符的转化，是人为规定的，这个规定的表就是ASCII表。ASCII表的具体对应关系这里就不贴了，各类C资料上应该都有。上面代码的执行结果如下：

作为整数输出：i=90,j=99,a=100,b=98
作为字符输出：i=Z,j=c,a=d,b=b
请按任意键继续. . .

　　int和char类型可以相互转化是因为ASCII表对应的映射关系，且我们上面代码中的测试数据没有越界(没有超过char类型值的范围)，从上面的执行结果来看，我们知道ASCII中整数90对应大写字母Z，整数99对应小写字母c，整数100对应小写字母d，整数98对应小写字母b。因为用于测试，所以我用了char和int类型，如果使用float或者double类型可能就得不出这样反应其映射性关系的结果，因为它们的解析完全不同。

3.内存四区

     本文主要将内存，之前都是一些零碎的知识，现在具体来说说C语言中的内存；C语言中用户可以操作的内存基本都是定义变量或者通过malloc或者relloc这类函数分配到的，如果要获取变量的地址，可以通过&符号。

     C语言程序的内存，传统意义来说分为四个区，分别是 代码区、数据区(全局区、常量区)、栈区(临时区)、堆区。

     代码区存放编译器编译C语言程序后的二进制代码，C语言中无法获取其地址，所以不过多说明。

     数据区，是存储程序全局变量的地方，其中全局变量放在数据区的全局区域，常量放在全局区的常量区域，常量不能获取地址，全局变量可以。该区域内存会在程序结束后释放。

     栈区(临时区)，程序直接定义的变量都放在栈区，在变量所在函数执行完成的时候，函数内部定义的栈区变量会被释放(释放的意义是不能再正确取得该变量的值)。每个程序所能用的栈区内存很有限，一般只有1M。因为其在函数调用完成后即被释放的特性，所以也被称为临时区。

     堆区，通过malloc或者relloc这类函数分配的内都存放在堆区，一般使用堆区的原因是需要用到大块的内存，或者是希望变量在其所在函数调用结束后变量内存仍能使用，那么就会使用到堆区，堆区的缺点是内存需要手动使用free函数释放，容易造成内存泄漏（指的是变量使用完了仍然占着内存空间，如果占用过大会影响系统或其他程序运行）。C语言中用的最多的内存区即堆区和栈区。下面代码是内存四区变量的示例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int x = 0; // 数据区 全局区变量
int y;// 数据区 全局区变量  x,y都会在程序结束时释放内存


int * ExampleStack()
{
    int i = 0;
    int j; // i和j是栈区变量， 虽然i比j先定义但因栈的特点i的内存地址比j大，在Example函数结束后，i和j就会被释放，无法再访问
    printf("i地址：%x,j地址：%x\n", &i, &j);// 比较两个内存地址大小
    return &i;  // 返回栈区地址，读取值的时候可以发现值不是0，说明内存被重新分配了。
}

int *ExampleHeap()
{
    // 变量p本身在栈区，存储着malloc分配的内存首地址，使用*可以取地址的值，而*p在堆区
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int)); 
    // 堆特点，p比q先定义，p内存地址比q小
    int *q = (int *)malloc(sizeof(int));
    printf("p地址：%x,q地址：%x\n", p, q);// 比较两个内存地址大小
    *p = 20;
    free(q);
    q = NULL;
    return p;  // 返回变量p，读取值正常
}

void main()
{ 
    int *p = ExampleStack();
    int *q = ExampleHeap();
    char *str = "abcd"; // str本身在栈区，而"abcd"在数据区 常量区，且str只读
    printf("栈区：%d\n", *p); // 这里打印出的p是一个垃圾值，说明ExampleStack结束的时候已经把i的内存释放
    printf("堆区：%d\n", *q); // 这里打印出20，说明变量q中的内存地址没有被释放
    if (q != NULL) free(q); // 释放内存
    q = NULL;// 防野指针
    p = NULL;// 防野指针 
    system("pause");
}

     代码中除了主main函数还有ExampleStack和ExampleHeap函数作为示例，为方便作为例子还使用了指针，指针本身就不做过多介绍，不懂的话可以在了解指针知识后再来看这段代码。

     本文只是总结了自己对C语言的一些认识，并不能直接当成教程使用，但可以作为初学者学习借鉴的知识来看。