【可乐教育】C语言简介(可乐教育教师端登录)

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要学习音视频开发,首先C、C++是必备的编程语言,因为很多知名的音视频库,比如FFMPEG、X264等都是用C语言编写的,而我们要使用这些库就必须用C、C++去开发程序。

C语言是一门怎样的语言呢?C语言是一门面向过程的编译型语言,它的运行速度极快,仅次于汇编语言。C语言是计算机产业的核心语言,操作系统、硬件驱动、关键组件、数据库等都离不开C语言;不学习C语言,就不能了解计算机底层。后来的很多语言(C++、Java等)都参考了C语言,说C语言是现代编程语言的开山鼻祖毫不夸张,它改变了编程世界。

以下是C语言几个特性:

1.高效性:c语言是一种高效的语言。c表现出通常只有汇编语言才具有的精细的控制能力(汇编语言是特定cpu设计所采用的一组内部制定的助记符。不同的cpu类型使用不同的汇编语言)。如果愿意,您可以细调程序以获得最大的速度或最大的内存使用率。

2.可移植性:c语言是一种可移植的语言。意味着,在一个系统上编写的c程序经过很少改动或不经过修改就可以在其他的系统上运行。

3.强大的功能和灵活性:c强大而又灵活。比如强大灵活的UNIX操作系统便是用c编写的。其他的语言(Perl、Python、BASIC、Pascal)的许多编译器和解释器也都是用c编写的,包括大家熟悉的JVM也是C语言写的。

当然C语言的内容非常庞大,博文是讲不完的,也没必要全面去讲,毕竟该系列是讲音视频的,而且读者应该是有C语言基础(至少其他语言基础),所以这里只会讲到C语言的一些重点难点,一些比较本质的东西。

变量的本质

相信变量大家都很熟悉了,但是关于变量本质是什么,可能不一定每个人都仔细思考过。

首先谈下执行程序的本质是什么。程序就是通过一系列的算法和数据结构,对数据进行的操作处理,那被操作的数据在哪里呢,在内存里,那么写程序的时候就要指定我现在要操作那一块内存的数据,那这块数据要怎么在程序中表示呢?直接用它的内存地址?那实在太不方便了吧,于是程序设计者就用变量名去指代内存中的某个数据,具体来讲,变量就是一段连续内存空间的别名,程序通过变量来申请和命名内存空间, 通过变量名访问内存空间。不是向变量名读写数据,而是向变量所代表的内存空间中读写数据

大家都知道定义变量一定有数据类型的,那么变量的类型是什么呢?

刚才说到变量就是一段连续内存空间的别名,那么具体给一个变量分配多大的空间呢?就比如给动物造窝,造小了动物住不下,造大了浪费空间,狗窝不能给大象住,象窝给小狗住实在是浪费,而且,不指定内存大小,计算机读取数据的时候就不知道要读取的范围有多大。所以,需要通过数据类型来指定分配的内存大小,也可以说,数据类型是固定大小内存的别名。

当然只是指定内存大小是不够的,还需要指定放在内存中的数据是表示什么样的东西,具体是表示猫还是狗还是大象,仅仅知道身高和尺寸并不知道具体的动物,因为数据在内存中都是以2进制存储的,所以需要用不同的表示方式(类似协议)表示不同的数据类型,顾名思义数据类型还区分了数据的类型,比如数据是字符还是整数还是小数。所以通过数据类型,让 计算机知道以什么方式去读取变量的值。

内存管理

程序是在内存中运行的,因为c语言的特性,所以它比任何一门编程语言都贴近内存,而掌握了它的内存管理机制,也是学习好C语言的重中之重,很多其他问题也可以通过内存分析推导使其得到迎刃而解。

内存模型

我们知道应用程序启动后就会加载到内存中取执行,这时候cpu从内存中取出数据和指令去执行,我们将程序内存在地址空间中的分布情况称为内存模型(Memory Model),那C语言的程序在内存模型是怎样的呢?

总体来讲说,程序源代码被编译之后主要分成两种段:程序指令和程序数据。代码区属于存放程序指令,常量区、全局数据区、堆区、栈区属于存放程序数据。程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了,并且在程序运行期间一直存在,大小固定,只能等到程序运行结束后由操作系统收回。栈区、堆区在程序运行时动态开辟。

那为什么把程序的指令和程序数据分开呢?

程序被load到内存中之后,可以将数据和代码分别映射到两个内存区域。由于数据区域对进程来说是可读可写的,而指令区域对程序来讲说是只读的,所以分区之后呢,可以将程序指令区域和数据区域分别设置成可读可写或只读。这样可以防止程序的指令有意或者无意被修改。

当系统中运行着多个同样的程序的时候,这些程序执行的指令都是一样的,所以只需要内存中保存一份程序的指令就可以了,然后这些程序就可以共享这一份代码指令了,只是每一个程序运行中数据不一样而已,这样可以节省大量的内存。

以下详细分析这几个主要的分区:

全局数据区

存储定义在函数外部的变量,可以被全局(其他文件)访问到。

常量区

存储字符串常量和const修饰的变量。

栈由系统进行内存的管,数据结构就是我们熟悉的栈结构(先进后出)。主要存放函数的参数以及局部变量。在函数完成执行,系统自行释放栈区内存,不需要编程人员管理。函数被调用时,会将参数、局部变量、返回地址、保存的上下文等与函数相关的信息压入栈中,函数执行结束后,这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效(函数中使用参数本质也是在函数栈中创建一块内存把参数拷贝过来),不能传递到函数外部,因为它们的内存不在了。另外栈属于线程私有。

从上图“C语言程序在Linux32位系统的内存模型”可以看出,栈是从高地址往下增长的。

函数调用时栈内存的分布情况如下图,可见函数本身开辟一个栈,函数栈之间也是通过类似栈的结构组织的。图中ebp指针指向当前调用函数的栈底,esp指针指向调用函数的栈顶,当前函数栈增加内存空间只要移动esp即可。这里每个函数栈都会保存自己的栈底指针,以在下一个函数栈被回收之后,ebp可以指到自己函数栈的栈底,以便恢复现场。(同编译器在不同编译模式下所产生的函数栈并不完全相同)

实际上,程序启动时会为栈区分配一块大小适当的内存,对于一般的函数调用这已经足够了,函数进栈出栈只是 ebp、esp 寄存器指向的变换,或者是向已有的内存中写入数据,不涉及内存的分配和释放。我们经常听说“栈内存的分配效率要高于堆”就是这个道理,因为大部分情况下并没有真的分配栈内存,仅仅是对已有内存的操作。

堆由编程人员手动申请,手动释放,若不手动释放,程序结束后由系统回收,生命周期是整个程序运行期间。更重要的是堆是一个大容器,它的容量要远远大于栈,这可以解决内存溢出困难。使用malloc或者new进行堆的申请。堆完全由程序员掌控(也是唯一由程序员完全控制的内存区域),想分配多少就分配多少,想什么时候释放就什么时候释放,非常灵活,但是也引入了内存泄漏问题。堆虽说操作灵活,但是分配效率比栈要低。

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