理解電腦記憶體管理 | 深入瞭解記憶體 | C 語言程式與記憶體

int main() {

    // 數據
    int a = 10;
    int b = 20;

    printf("sum = %d\n", sum(a, b));
}

int sum(int a, int b) {
    // 算法
    return a + b;
}

int main() {

    int a = 10;
    int b = 20;

    printf("sum = %d\n", sum(a, b));    
    
    printInfo(a);
}

// 關注結果
int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 關注過程
void printInfo(int a) {
    printf("value = %d\n", a);    
}

// 關注結果 & 過程
int sumWithInfo(int a, int b) {
    
    printInfo(a);
    printInfo(b);
    
    return a + b;
}

// 全局部量
int globalValue = 10;        // 存在記憶體中

int main() {
    // 局部變量
    int localValue = 1;
}

● 常量

GCC 中常量就存在記憶體中

但大部分的單晶片機，會將常量存在 Flash 中，也就是 .data 中 (這個我們之後會說到)

A. 數據結構：如何組織數據放入記憶體

B. 演算法：如何加工存入數據，讓其符合你需要的業務邏輯

A. 採用二進制結構：簡化電子邏輯

B. 程序儲存 （stored-program）：程序以及數據全部除存在內部儲存器中，這會導致程序＆　數據共享在同一個地方，一定程度限制了機器 (因為數據、指令共享一條數據線，影響了傳輸速度)

C. 指令、數據寬度要相同（這點要看使用的指令集，如果是複雜指令集 CISC 就會不同）

馮‧諾依曼　結構的進化版本，同樣是使用了二進制＆stored-program，差異是在 指令 ＆ 數據分開儲存 (增強了存取效率)

A. CPU 可以先到指令儲存器讀取指令，解碼後得到記憶體地址，再到對應的數據儲存器中讀取數據

B. 在執行步驟一時仍可儲存數據到儲存器中（就是一個非同步操作）

C. 指令、數據的寬度也可以不同

● 哈佛可以在執行操作時同時讀取下一個指令，提高的吞吐量（IO 速度），而 馮‧諾依曼 結構則無法

● 哈佛結構缺點在 ¹ 架構複雜 ＆ ² 需要兩個儲存器

A. 有操作系統：操作系統會館裡所有的記憶體，並將一大塊記憶體 分頁管理 (每頁大小一般是 4 KB)，一頁就是一個單位

B. 無操作系統 (eg. MCU)：必須手動管理記憶體，如果沒有管理好記憶體可能會覆蓋到不能覆蓋的資料

1.地址總線：可訪問的記憶體地址範圍

傳輸記憶體 (記憶體) 地址

● 記憶體大小 ＆ 真正可使用

記憶體大小不是越大就可以用得越多，這取決於地址總線的數量 (2 的冪次方)

e.g: 2 條線就有 2² 個，也就是 00、01、10、11 這 4 個記憶體位置

e.g: 32 條就是 2³²個，接近於 4G

就算用了超過 地址總線數量 的記憶體還是只能使用到 地址總線的大小

2.數據總線：一次可傳輸的數據量

傳輸要寫入的數據

● 幾位元 CPU，32、64 ?

通常在說幾位元 CPU 就是指數據總線的數量

3.控制總線：控制數據的 讀取 或是 寫入

傳輸 讀 or寫 指令

A. 能夠儲存數據的是記憶體

B. 記憶體又被規劃為單位大小為 1 Byte

C. 每個 Byte 又對應到 一個地址

A. 左圖，依照硬體特性，一次必須傳送 8Bit 數據

B. 右圖，依照硬體特性，一次必須傳送 32Bit 數據

一次能傳送的數據是指，一個 CPU 時鐘週期內能傳送的數據

尚未使用的部分就可以當作是浪費的

● 一個地址代表了一個記憶體單元 (Byte)

這邊數據的存入使用小端 (little-endian 從低未元開始存入)

void main() {
    int a;

    a = 6;

    int *p = 0;        // 宣告一個 p 指針 (又稱為一級指針)

    p = &a;            // 透過 `&` 將 a 的地址存進 p 中

    printf("%d", *p);    // 透過 `*` 解析 p 中存取的地址中的數值 (也就是 a 的數值)
}

上圖 int a 是使用 int 的方式解析 0x00-00-00-00，而 int *p 則是使用 int * 的方式來解析 0x03-00-00-00

int a;            // 編譯器分配 4 Byte 記憶體給 a，並把 a 與 記憶體的首地址綁定

int a[10];        // 編譯器分配 40 Byte 記憶體給 a，並把 a 與 記憶體的首地址綁定 (但解析方式與 int a 不同)

從測試結果可以看到

A. 每個 int 元素都是相連的，都相差 4 個地址 (一個地址佔一個 Byte)

B. 宣告的符號 a 是數組的首地址，並且 a 可以當作 int(因為這邊宣告是 int[] 數組) 指針操作

C. 透過 & 就可以取得該數組的地址，並且該 地址解析的方式也是數組

#include <stdio.h>

int main() {

    int a[5] = {0, 1, 2, 3, 4};

    int len = sizeof(a) / sizeof(int);    // 計算數組長度

    printf("array length: %d\n", len);

    for(int i = 0; i < len; i++) {
        // 1. 空間相連
        printf("a[%d] addr = %p\n", i, &a[i]);
    }
    
    // 2. a 作為指針
    printf("a + 1, addr: %p, value: %d\n", a + 1, *(a + 1));
    
    // 3. &a 是取 int[5] 這種結構的地址，所以 + 1 就會往下再給予 int[5] 空間的地址
    printf("&a + 1, addr: %p\n", &a + 1);  
    
    return 0;
}

// 定義一個 訊息 結構，方便之後不斷使用
struct information {
    char *name;
    long id;
    int weight;
    int height;
};

void main() {
    // 可以輕鬆定義 一整塊相關資料，不用分開變量
    struct information A;
    struct information B;
}

● struct 作為參數 ?

不建議太長使 struct 作為 function 參數，建議使用 struct pointer 來傳送，原因是因為參數是一個堆疊，它會消耗堆疊的大小（之後介紹）

#include <stdio.h>

struct information {
    char *name;
    long id;
    int weight;
    int height;
};

static void set(struct information* info) {
    info->name = "Alien";
}

void main() {

    struct information A;
    set(&A);

    printf("name: %s\n", A.name);
}

struct {
    int count;            // 普通變數
    
    // 包含函數指針的結構體 就類似於一個 class
    int (*pFunc)(void);    // 函數指針
}

A. 申請 malloc（C 語言）、new (C)

B. 釋放 free （C、C 語言）

A. 容量不限、動態分配

B. 手動申請、釋放

在使用 C Heap 函數時，請務必 檢查返回值，若分配記憶體失敗則會返回 0

static int gTest = 123;

void myFunction() {
    // 局部靜態
    static int test = 444;
}

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