C/C++ 内存是什么？

面试高频指数：★★★★☆

一、内存本质

编程的本质其实就是操控数据，而数据存放在内存中。

内存就是计算机的存储空间，用于存储程序的指令、数据和状态。

在 C 语言中，内存被组织成一系列的字节，每个字节都有一个唯一的地址。程序中的变量和数据结构存储在这些字节中。

根据变量的类型和作用域，内存分为几个区域，如栈（stack）、堆（heap）和全局/静态存储区。

如果能更好地理解内存的模型，以及 C 如何管理内存，就能对程序的工作原理洞若观火，从而使编程能力更上一层楼。

大家真的别认为这是空话，我大一整年都不敢用 C 写上千行的程序也很抗拒写 C。

因为那时候写 C语言 一旦上千行，经常出现各种莫名其妙的内存错误，一不小心就发生了 coredump...... 而且还无从排查，分析不出原因。

相比之下，那时候最喜欢 Java，在 Java 里随便怎么写都不会发生类似的异常，顶多偶尔来个 NullPointerException，也是比较好排查的。

直到后来对内存和指针有了更加深刻的认识，才慢慢会用 C 写上千行的项目，也很少会再有内存问题了。（过于自信

「指针存储的是变量的内存地址」这句话应该任何讲 C 语言的书都会提到吧。

所以，要想彻底理解指针，首先要理解 C 语言中变量的存储本质，也就是内存。

1.1 内存编址

计算机的内存是一块用于存储数据的空间，由一系列连续的存储单元组成，就像下面这样，

每一个单元格都表示 1 个 Bit，一个 bit 在 EE 专业的同学看来就是高低电位，而在 CS 同学看来就是 0、1 两种状态。

由于 1 个 bit 只能表示两个状态，所以大佬们规定 8个 bit 为一组，命名为 byte。

并且将 byte 作为内存寻址的最小单元，也就是给每个 byte 一个编号，这个编号就叫内存的地址。

这就相当于，我们给小区里的每个单元、每个住户都分配一个门牌号： 301、302、403、404、501......

在生活中，我们需要保证门牌号唯一，这样就能通过门牌号很精准的定位到一家人。

同样，在计算机中，我们也要保证给每一个 byte 的编号都是唯一的，这样才能够保证每个编号都能访问到唯一确定的 byte。

1.2 内存地址空间

上面我们说给内存中每个 byte 唯一的编号，那么这个编号的范围就决定了计算机可寻址内存的范围。

所有编号连起来就叫做内存的地址空间，这和大家平时常说的电脑是 32 位还是 64 位有关。

早期 Intel 8086、8088 的 CPU 就是只支持 16 位地址空间，寄存器和地址总线都是 16 位，这意味着最多对 2^16 = 64 Kb 的内存编号寻址。

这点内存空间显然不够用，后来，80286 在 8086 的基础上将地址总线和地址寄存器扩展到了20 位，也被叫做 A20 地址总线。

当时在写 mini os 的时候，还需要通过 BIOS 中断去启动 A20 地址总线的开关。

但是，现在的计算机一般都是 32 位起步了，32 位意味着可寻址的内存范围是 2^32 byte = 4GB。

所以，如果你的电脑是 32 位的，那么你装超过 4G 的内存条也是无法充分利用起来的。

好了，这就是内存和内存地址空间。

1.3 变量的本质

有了内存，接下来我们需要考虑，int、double 这些变量是如何存储在 0、1 单元格的。 在 C 语言中我们会这样定义变量：

int a = 999;
char c = 'c';

当你写下一个变量定义的时候，实际上是向内存申请了一块空间来存放你的变量。 我们都知道 int 类型占 4 个字节，并且在计算机中数字都是用补码（不了解补码的记得去百度）表示的。

999 换算成补码就是：0000 0011 1110 0111

这里有 4 个byte，所以需要四个单元格来存储：

有没有注意到，我们把高位的字节放在了低地址的地方。 那能不能反过来呢？ 当然，这就引出了大端和小端。 像上面这种将高位字节放在内存低地址的方式叫做大端 反之，将低位字节放在内存低地址的方式就叫做小端：

（关于字节序可以看这篇文章: 字节序 (opens new window)

上面只说明了 int 型的变量如何存储在内存，而 float、char 等类型实际上也是一样的，都需要先转换为补码。

对于多字节的变量类型，还需要按照大端或者小端的格式，依次将字节写入到内存单元。

记住上面这两张图，这就是编程语言中所有变量的在内存中的样子，不管是 int、char、指针、数组、结构体、对象... 都是这样放在内存的。

请继续阅读下一篇 深入理解C/C++指针 (opens new window)