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C语言深入学习系列 - 字节对齐&内存管理

2013-05-08 16:19 1611 查看




用C语言写程序时需要知道是大端模式还是小端模式。

所谓的大端模式,是指数据的低位保存在内存的高地址中,而数据的高位,保存在内存的低地址中;所谓的小端模式,是指数据的低位保存在内存的低地址中,而数据的高位保存在内存的高地址中。



为什么会有大小端模式之分呢?这是因为在计算机系统中,我们是以字节为单位的,每个地址单元都对应着一个字节,一个字节为8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外,还有16bit的short型,32bit的long型(要看具体的编译器),另外,对于位数大于8位的处理器,例如16位或者32位的处理器,由于寄存器宽度大于一个字节,那么必然存在着一个如果将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。例如一个16bit的short型x,在内存中的地址为0x0010,x的值为0x1122,那么0x11为高字节,0x22为低字节。对于大端模式,就将0x11放在低地址中,即0x0010中,0x22放在高地址中,即0x2211中。小端模式,刚好相反,还是ox1122。我们常用的X86结构是小端模式,而KEIL
C51则为大端模式。很多的ARM,DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。



Java、.NET大行其道的今天,C语言作为一门经典的高级语言,存在的唯一理由就是其高效、精练。随着PC硬件升级和降价,C语言由于其自身的复杂度,在开发PC应用软件时,已经很少使用。但是在开发嵌入式系统软件和操作系统时,由于普遍强调微内核,少占用空间和高效,因此,在系统开发舞台上,C语言依旧是主角。
在实际的程序开发中,为了提高数据的读取效率,在内存资源足够的情况下,一般在定义数据结构时,应该考虑四字节对齐,其原因很简单,现在的计算机多数是32位,也就是四字节。在每次读取数据时,一般都是直接读取32位的数据。有些情况下,字节对齐的数据结构,要比非对齐的数据结构占用空间少。以下分别就这两方面举例阐述。
1、充分考虑四字节对齐,可以节省存储空间
typedef struct tagAAA{
char name[10];
long sno;
char sex;
float score[4];
}AAA;
typedef struct tagBBB{
char name[10];
char sex;
long sno;
float score[4];
}BBB;
在VC下,调试,可以很容易看出来,AAA占的存储空间为36,BBB占的存储空间为32。原因很简单,在四字节对齐的情况下,按四个字节为单位分配存储空间,如果不足,会自动补充,本次分配不足以存放下面的变量时,会重新分配空间。
AAA:
|name[0]|name[1]|name[2]|name[3]|
------------------------------------
|name[4]|name[5]|name[6]|name[7]|
------------------------------------
|name[8]|name[9]| | |
----------由于剩下的两个字节不足以存放sno(long占四个字节),所以重新分配
------------------------------------
| sno |
----------long变量占四个字节,32bits
------------------------------------
|sex | 自动填充 |
----------剩余三个字节的空间,不足以重放一个float变量,因此重新分配
------------------------------------
| score[0] |
------------------------------------
| .......... |
------------------------------------
| score[3] |
------------------------------------
由此可以轻易的计算出,AAA占36个字节,同理,很容易计算出BBB占32个字节空间。

2、字节对其的情况下,可以更高效的访问
假设一个结构体的数据如下存储:
-----------------------------------------------------
| 12 | 34 | 56 | 78 | -----------(A)
-----------------------------------------------------
-----------------------------------------------------
| XX | YY | 12 | 34 | -----------(B)
-----------------------------------------------------
| 56 | 78 | XX | YY |
在A情况下,一次性读取数据成功,但是,在B情况下,需要读取数据两次,由此,可看出效率的差异。
一般情况下,字节对齐遵从系统字节数与要求的对齐字节数相比,最小原则,即:假设要求按八字节对齐,但是系统为32位系统,则按照4字节对齐。在四字节对齐时,局部会按照2字节对齐,如:
struct tagAAA
{
char a;
short b;
char c;
}AAA;
该结构体占据的空间为8字节而不是4字节,原因就是:
-----------------------------------
| a | | b |
-----------------------------------
| c | |
而不是:
------------------------------------
| a | b | c |
------------------------------------
其原因就是局部会以2字节对齐。

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众所周知,C语言程序设计中,内存的分配和管理完全交由程序员来控制,因此,内存管理是每个C程序员必须熟练掌握的。一般而言,分配给进程的内存有四个概念上不同的区域,分别为:代码段、数据段、堆和栈,其中数据段又可以细分为初始化为非零的数据和初始化为零的数据。如下图所示:


-------------------
| 程序栈 |----------高地址--〉低地址(向下增长)
-------------------
| 堆 |----------向上增长
-------------------
| BSS |----------数据段
| 全局和静态变量 |
-----------------------------低地址
| 可执行代码 |----------代码段
-------------------
可执行指令放在代码段中,任何时刻,内存中只有一份相同程序的指令拷贝,多个实例共享这些代码。初始化为非零的静态数据和全局数据存放在数据段中,运行相同程序的每个进程,有自己的数据段。
初始化为零(即未初始化的变量,系统自动填充为0;或者初始化为0)的全局数据和静态分配数据存放在进程的BSS区域中,每个运行的进程都有自己的BSS,程序运行的时候,将数据放到数据段中,由此可知,只有初始化为非零的变量才占用空间,所以对于类似static
int ss[1024];这样的数组自动用0来填充,它占的空间很小。
【BSS是“Block
Started by Symbol”的缩写,意为“以符号开始的块”。BSS是Unix链接器产生的未初始化数据段。其他的段分别是包含程序代码的“text”段和包含已初始化数据的“data”段。BSS段的变量只有名称和大小却没有值。此名后来被许多文件格式使用,包括PE。“以符号开始的块”指的是编译器处理未初始化数据的地方。BSS节不包含任何数据,只是简单的维护开始和结束的地址,以便内存区能在运行时被有效地清零。BSS节在应用程序的二进制映象文件中并不存在,例如:

  unsigned char var; // 分配到.bss节的8位未初始化变量

  unsigned char var2 = 25; // 分配到.data节的8位已初始化变量】

堆,动态内存来自于堆,即:通过malloc得到的空间,通常情况下,堆是向上增长的,即:后面分配的地址比前面的地址在数值上大一些。【注意:这里的堆并不是数据结构中的堆,它的分配方式类似于链表】

栈,分配局部变量的地方,函数参数、函数的返回值和返回地址也放在栈空间中,需要特别注意的是,当函数返回后,存储在栈空间中的函数变量“自动消失”,空间被其他函数使用。栈空间是向下增长的。

在C语言中,一般通过malloc/calloc函数分配空间,通过free()函数释放空间,使用realloc()改变已分配空间的大小。
分配内存的步骤:
1.申明一个指定类型的指针
2.计算要分配空间的大小,一般使用函数sizeof()来实现
3.调用函数malloc()完成空间的申请,将函数的返回值赋给指针变量,
4.检查返回值是否不为NULL,保证空间分配成功
5.分配好的空间是没有经过初始化的,其中可能包含一些垃圾信息,因此调用函数memset()将其用0来填充是个好的习惯
释放内存步骤:
1.调用函数free()释放掉空间

注意:
1.不可以使用free()之后的空间
2.free()后,最好将指针置为NULL,因为如果不做这步处理,原来的指针依旧指向刚才释放的空间,可以继续操作
3.避免重复释放空间

在Unix系统上,提供了函数alloca()函数,可以实现在栈空间上分配指定大小的空间,这样的好处是,函数结束后,空间自动释放,不必显式地调用函数free(),但是该函数有很多弊端,比如不可移植等,因此不建议使用。
有必要提一下malloc、calloc、realloc函数的底层实现,在Linux系统中,提供了brk()和sbrk()函数,上面几个函数就是在这两个函数的基础上实现的。

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