前言

基礎(chǔ)篇介紹了一些關(guān)于C語(yǔ)言?xún)?nèi)存管理的常見(jiàn)概念授嘀，包括內(nèi)存編址气忠、堆棧锰蓬、內(nèi)存操作函數(shù)幔睬、變量和數(shù)組存儲(chǔ)簡(jiǎn)介等等。本文將在前文的基礎(chǔ)上擴(kuò)展以下知識(shí)：結(jié)構(gòu)體變量的存儲(chǔ)芹扭、函數(shù)調(diào)用與內(nèi)存分配麻顶、遞歸函數(shù)的調(diào)用過(guò)程。如果有需要瀏覽上一篇文章的同學(xué)請(qǐng)點(diǎn)擊C語(yǔ)言-內(nèi)存管理基礎(chǔ)舱卡。希望本文能給正在學(xué)習(xí)C辅肾、Objective-C、C++等語(yǔ)言的小伙伴們更多啟發(fā)轮锥。

結(jié)構(gòu)體變量的存儲(chǔ)

結(jié)構(gòu)體在C語(yǔ)言中是一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矫钓，開(kāi)發(fā)中系統(tǒng)提供的基本類(lèi)型往往不能滿(mǎn)足需要，所以會(huì)常常使用到“結(jié)構(gòu)體”舍杜。作為由基本數(shù)據(jù)類(lèi)型組合而成的結(jié)構(gòu)體與普通變量存儲(chǔ)不一樣新娜，結(jié)構(gòu)體變量占用空間不是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體成員空間單純相加，其在內(nèi)存中分配空間和數(shù)組很類(lèi)似既绩，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

• 結(jié)構(gòu)體變量占用的內(nèi)存空間是其成員占用最大內(nèi)存空間的整數(shù)倍

struct Person {
    int age;
    int hegiht;
    int weight;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    struct Person p1 = {1, 2, 3};
    int size = sizeof(p1);
    printf("%i\n",size);              //12 = 4 * 3
    printf("變量的地址：%p\n",&p1);     //0x7fff5fbff750
    printf("%p\n",&p1.age);           //0x7fff5fbff750
    printf("%p\n",&p1.hegiht);        //0x7fff5fbff754
    printf("%p\n",&p1.weight);        //0x7fff5fbff758
    return 0;
}

結(jié)構(gòu)體變量?jī)?nèi)存分配示意圖1

• 系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)體首個(gè)成員分配空間；如果空間不夠則重新分配颜矿，如果空間剩余則會(huì)把下一個(gè)成員的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到剩余的空間中

struct Student { 
      char id;
      double score;
      int  age;    
};
int main(int argc, const char * argv[]) { 
      struct Student s1 = {'A', 10.0, 15};  
      int size = sizeof(s1);   
      printf("%i\n",size);       //24
      printf("%p\n",&s1.id);     //0x7fff5fbff788
      printf("%p\n",&s1.score);  //0x7fff5fbff790
      printf("%p\n",&s1.age);    //0x7fff5fbff798
      return 0;
}

結(jié)構(gòu)體變量?jī)?nèi)存分配示意圖2

struct Student {
      double score;
      char id;
      int  age;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
      struct Student s1 = {'A', 10.0, 15};
      int size = sizeof(s1);
      printf("%i\n",size); //16
      printf("%p\n",&s1.score) //0x7fff5fbff790
      printf("%p\n",&s1.id); //0x7fff5fbff790
      printf("%p\n",&s1.age); //0x7fff5fbff79c
      return 0;
}

結(jié)構(gòu)體變量?jī)?nèi)存分配示意圖3

• 為結(jié)構(gòu)體變量分配內(nèi)存還需要遵循內(nèi)存對(duì)齊原則
  內(nèi)存對(duì)齊：系統(tǒng)在為不同類(lèi)型的變量分配空間時(shí)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放亮钦，這是對(duì)內(nèi)存對(duì)齊的模糊解釋馆截。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)齊模數(shù) n=1,2,4,8,16)。不同的對(duì)齊系數(shù)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體變量分配的內(nèi)存空間產(chǎn)生影響蜂莉。關(guān)于“內(nèi)存對(duì)齊和結(jié)構(gòu)體變量“的更多內(nèi)容這里引用幾篇相關(guān)文章幫助大家深入理解：
  【知乎】-如何理解 struct 的內(nèi)存對(duì)齊蜡娶？
  【CSDN】-C內(nèi)存對(duì)齊
  【CSDN】-C/C++內(nèi)存對(duì)齊原則及作用
  【個(gè)人博客】-內(nèi)存對(duì)齊

總結(jié)：結(jié)構(gòu)體變量所占存儲(chǔ)空間受其不同類(lèi)型的成員排列順序及編譯器內(nèi)存對(duì)齊影響，開(kāi)發(fā)中盡量將相同類(lèi)型的成員依次定義映穗，有助于節(jié)省內(nèi)存空間窖张。

函數(shù)調(diào)用與內(nèi)存分配

函數(shù)作為編程中實(shí)現(xiàn)功能的重要手段，深入理解函數(shù)的調(diào)用過(guò)程對(duì)提升開(kāi)發(fā)能力有很大的幫助蚁滋，首先了解一下兩個(gè)任意函數(shù)之間進(jìn)行調(diào)用的情形荤堪，與匯編程序設(shè)計(jì)中主程序和子程序之間的鏈接及信息交換類(lèi)似，在高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序中（比如C語(yǔ)言）枢赔，調(diào)用函數(shù)與被調(diào)用函數(shù)之間的鏈接及信息交換需要通過(guò)棧來(lái)進(jìn)行∮抵《C程序設(shè)計(jì)》一書(shū)中對(duì)于函數(shù)之間調(diào)用提出兩個(gè)注意點(diǎn)：

• 函數(shù)運(yùn)行期間調(diào)用另外一個(gè)函數(shù)踏拜，在運(yùn)行被調(diào)用函數(shù)之前，系統(tǒng)需要先完成3件事情:

1. 將所有的實(shí)參低剔、返回地址等信息傳遞給被調(diào)用函數(shù)保存
2. 為被調(diào)用函數(shù)局部變量在棧上分配內(nèi)存
3. 將控制轉(zhuǎn)移到被調(diào)用函數(shù)入口

• 被調(diào)用函數(shù)返回調(diào)用函數(shù)之前速梗，系統(tǒng)也需要相應(yīng)的完成3件事情:
  1. 在棧中保存被調(diào)用函數(shù)的計(jì)算結(jié)果（返回值）
  2. 釋放在棧中為被調(diào)用函數(shù)分配的數(shù)據(jù)區(qū)
  3. 依照被調(diào)用函數(shù)保存的返回地址將控制轉(zhuǎn)移到調(diào)用函數(shù)

當(dāng)有多個(gè)函數(shù)嵌套調(diào)用時(shí)，按照 “后調(diào)用先返回” 的原則依次進(jìn)行襟齿，看到這里想必大家一目了然姻锁，函數(shù)之間的調(diào)用規(guī)則和 “棧” 管理數(shù)據(jù)的方式完全相同猜欺，因此函數(shù)之間的信息傳遞和控制轉(zhuǎn)移必須通過(guò) “椢涣ィ”來(lái)實(shí)現(xiàn)。
《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語(yǔ)言版)》一書(shū)中對(duì)函數(shù)的調(diào)用過(guò)程在內(nèi)存中的描述是這樣的：

函數(shù)之間信息傳遞和控制轉(zhuǎn)移必須通過(guò)“椏螅”來(lái)實(shí)現(xiàn)涧黄，即系統(tǒng)將整個(gè)程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)空間安排在一個(gè)棧中，每當(dāng)調(diào)用一個(gè)函數(shù)就為它在棧頂分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)赋荆，每當(dāng)從一個(gè)函數(shù)退出時(shí)笋妥，就釋放它的存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)前正在運(yùn)行的函數(shù)存儲(chǔ)區(qū)必在棧頂窄潭。

• 幀棧
  幀棧也叫過(guò)程活動(dòng)記錄春宣，是編譯器用來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程/函數(shù)調(diào)用的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)著一個(gè)未運(yùn)行完的函數(shù)。棧幀中保存了該函數(shù)形參月帝、返回地址躏惋、局部變量等信息。簡(jiǎn)而言之棧幀就是一個(gè)函數(shù)執(zhí)行的環(huán)境嫁赏。有時(shí)候函數(shù)嵌套調(diào)用其掂，棧中會(huì)有多個(gè)函數(shù)的信息，每個(gè)函數(shù)占用一個(gè)連續(xù)的區(qū)域潦蝇。引文中提到的“存儲(chǔ)區(qū)”就是指一個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)的分配空間也就是一個(gè)函數(shù)幀款熬。
• 參數(shù)的傳遞和內(nèi)存分配
  被調(diào)用函數(shù)的形參，在未出現(xiàn)函數(shù)調(diào)用時(shí)不占用內(nèi)存空間攘乒，發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)贤牛，形參按照確定的類(lèi)型在該函數(shù)幀中被分配指定大小的空間。并且由調(diào)用函數(shù)的實(shí)參傳遞給被調(diào)用函數(shù)的形參保存则酝。
• 函數(shù)具體調(diào)用過(guò)程：
  1. 為被調(diào)用函數(shù)在棧頂分配空間殉簸，為被調(diào)用函數(shù)的形參分配空間
  2. 將實(shí)參的值傳遞給形參
  3. 被調(diào)用函數(shù)利用形參（如果存在）進(jìn)行運(yùn)算
  4. 通過(guò)return語(yǔ)句將返回值帶回調(diào)用函數(shù)
  5. 調(diào)用結(jié)束，釋放被調(diào)用函數(shù)空間沽讹，釋放其形參分配空間

舉個(gè)例子說(shuō)明問(wèn)題

int add(int num1, int num2) {
         int tempSum = num1 + num2;
         return tempSum;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
          int a = 10;
          int b = 20;
          int sum = add(a, b);
          printf("%i\n",sum); //   sum = 30
          return 0;
}

上面的main()般卑、add()函數(shù)之間調(diào)用的過(guò)程及參數(shù)傳遞在內(nèi)存的示意圖如下：

函數(shù)調(diào)用參數(shù)分配示意圖

注意：當(dāng)前正在運(yùn)行的函數(shù)存儲(chǔ)區(qū)必在棧頂顿乒。

以上就是兩個(gè)函數(shù)在調(diào)用過(guò)程中棧內(nèi)存完整的工作情況（省略了main()函數(shù)形參的內(nèi)存分配）。雖然函數(shù)在開(kāi)發(fā)中無(wú)處不見(jiàn)泽谨，但是執(zhí)行過(guò)程在內(nèi)存中的表現(xiàn)形式還是有很多值得研究的璧榄。掌握其內(nèi)存分配原理有助于我們更加深入理解函數(shù)特漩。

遞歸函數(shù)的調(diào)用過(guò)程

• 遞歸函數(shù)
  在調(diào)用一個(gè)函數(shù)過(guò)程中又出現(xiàn)直接或間接調(diào)用該函數(shù)本身的情況，稱(chēng)為函數(shù)的遞歸調(diào)用骨杂。C語(yǔ)言的特點(diǎn)之一就是允許函數(shù)的遞歸調(diào)用涂身。
• 遞歸函數(shù)的調(diào)用過(guò)程
  一個(gè)遞歸函數(shù)的運(yùn)行過(guò)程類(lèi)似于多個(gè)函數(shù)之間的嵌套調(diào)用，只是調(diào)用函數(shù)和被調(diào)用函數(shù)是同一個(gè)函數(shù)搓蚪，因此蛤售，和每次調(diào)用相關(guān)的一個(gè)重要概念是遞歸函數(shù)運(yùn)行的“層數(shù)”。假設(shè)調(diào)用該遞歸函數(shù)的主函數(shù)為第 0 層妒潭，主函數(shù)調(diào)用遞歸函數(shù)進(jìn)入第一層悴能；從第 i 層調(diào)用本函數(shù)為進(jìn)入第 i+1 層，反之雳灾，退出第 i 層遞歸則應(yīng)返回至第 i - 1 層漠酿。例如：

int getAge(int n) {
      if (n == 1) {
          return 10;
      } else {      
          return getAge(n-1) + 2;
      }
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
      printf("NO.5.age: %d\n",getAge(5));
      return 0;
}

遞歸函數(shù)調(diào)用過(guò)程

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語(yǔ)言版)》對(duì)遞歸函數(shù)調(diào)用從內(nèi)存分配角度的解釋如下：

為了保證遞歸函數(shù)正確執(zhí)行，系統(tǒng)建立一個(gè)“遞歸工作椈涯叮”作為整個(gè)遞歸函數(shù)運(yùn)行期間使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)炒嘲，每一層遞歸所需信息構(gòu)成一個(gè)“工作記錄”，其中包括所有的實(shí)參匈庭、局部變量以及上一層的返回地址夫凸。每進(jìn)入一層遞歸，就產(chǎn)生一個(gè)新的工作記錄壓入棧頂阱持。每退出一層遞歸寸痢，就從棧頂彈出一個(gè)工作記錄。當(dāng)前活動(dòng)的工作記錄成為“活動(dòng)記錄”紊选，并稱(chēng)活動(dòng)記錄的棧頂指針為“當(dāng)前環(huán)境指針”。

一個(gè)遞歸問(wèn)題可以分為“遞推”和“回溯”兩個(gè)階段道逗，要經(jīng)歷若干步才能求出最后的結(jié)果兵罢。但是其原理和一般函數(shù)的調(diào)用沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。遞歸函數(shù)調(diào)用次數(shù)越多滓窍，在棧上為其分配的空間就越大卖词，所以我們應(yīng)該避免調(diào)用次數(shù)過(guò)多的遞歸函數(shù)，因?yàn)樵摬僮骱芸赡軙?huì)使棧的容量“溢出”吏夯。
由于”遞歸函數(shù)“概念本身不是本文的重點(diǎn)此蜈，這里僅僅是介紹一下遞歸函數(shù)調(diào)用在內(nèi)存中分配情況。對(duì)”遞歸函數(shù)“不甚了解的同學(xué)可以查閱一下相關(guān)資料噪生，這里就不再贅述了裆赵。

文章最后

以上就是筆者對(duì)于C語(yǔ)言?xún)?nèi)存管理深入的學(xué)習(xí)心得，知識(shí)點(diǎn)比較少跺嗽，部分描述引自書(shū)籍文檔战授。如果文中有任何紕漏或錯(cuò)誤歡迎在評(píng)論區(qū)留言指出页藻，本人將在第一時(shí)間修改過(guò)來(lái)；喜歡我的文章植兰，可以關(guān)注我以此促進(jìn)交流學(xué)習(xí)份帐； 如果覺(jué)得此文戳中了你的G點(diǎn)請(qǐng)隨手點(diǎn)贊；轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處楣导，謝謝支持废境。