C語言編程程序的(de)内存如何布局

重點關注以下(xià)内容：

　　C語言程序在内存中各個(gè)段的(de)組成

　　C語言程序連接過程中的(de)特性和(hé)常見錯誤

　　C語言程序的(de)運行方式

　　一：C語言程序的(de)存儲區(qū)域

　　由C語言代碼(文本文件)形成可(kě)執行程序(二進制文件)，需要經過編譯-彙編-連接三個(gè)階段。編譯過程把C語言文本文件生成彙編程序，彙編過程把彙編程序形成二進制機器代碼，連接過程則将各個(gè)源文件生成的(de)二進制機器代碼文件組合成一個(gè)文件。

　　C語言編寫的(de)程序經過編譯-連接後，将形成一個(gè)統一文件，它由幾個(gè)部分(fēn)組成。在程序運行時(shí)又會産生其他(tā)幾個(gè)部分(fēn)，各個(gè)部分(fēn)代表了(le)不同的(de)存儲區(qū)域：

　　1.代碼段(Code或Text)

　　代碼段由程序中執行的(de)機器代碼組成。在C語言中，程序語句進行編譯後，形成機器代碼。在執行程序的(de)過程中，CPU的(de)程序計數器指向代碼段的(de)每一條機器代碼，并由處理(lǐ)器依次運行。

　　2.隻讀數據段(RO data)

　　隻讀數據段是程序使用(yòng)的(de)一些不會被更改的(de)數據，使用(yòng)這(zhè)些數據的(de)方式類似查表式的(de)操作，由于這(zhè)些變量不需要更改，因此隻需要放置在隻讀存儲器中即可(kě)。

　　3.已初始化(huà)讀寫數據段(RW data)

　　已初始化(huà)數據是在程序中聲明(míng)，并且具有初值的(de)變量，這(zhè)些變量需要占用(yòng)存儲器的(de)空間，在程序執行時(shí)它們需要位于可(kě)讀寫的(de)内存區(qū)域内，并具有初值，以供程序運行時(shí)讀寫。

　　4.未初始化(huà)數據段(BSS)

　　未初始化(huà)數據是在程序中聲明(míng)，但是沒有初始化(huà)的(de)變量，這(zhè)些變量在程序運行之前不需要占用(yòng)存儲器的(de)空間。

　　5.堆(heap)

　　堆内存隻在程序運行時(shí)出現，一般由程序員(yuán)分(fēn)配和(hé)釋放。在具有操作系統的(de)情況下(xià)，如果程序沒有釋放，操作系統可(kě)能在程序(例如一個(gè)進程)結束後回收内存。

　　6.棧(stack)

　　棧内存隻在程序運行時(shí)出現，在函數内部使用(yòng)的(de)變量、函數的(de)參數以及返回值将使用(yòng)棧空間，棧空間由編譯器自動分(fēn)配和(hé)釋放。

　　C語言目标文件的(de)内存布局

　　看一個(gè)例子：

　　int a = 0; //全局初始化(huà)區(qū)，。data段

　　static int b=20; //全局初始化(huà)區(qū)，。data段

　　char *p1; //全局未初始化(huà)區(qū) .bss段

　　const int A = 10; //.rodata段

　　void main(void)

　　{

　　int b; //棧

　　char s[] = "abc"; //棧

　　char *p2; //棧

　　static int c = 0; //全局(靜态)初始化(huà)區(qū) .data段

　　char *p3 = "123456"; //123456\0在常量區(qū)，p3 在棧上。

　　p1 = (char*) malloc(10);//分(fēn)配得(de)來(lái)的(de)10和(hé)20個(gè)字節的(de)區(qū)域就在堆區(qū)

　　p2 = (char*) malloc(20);

　　strcpy(p1, "123456"); //123456\0 在常量區(qū)，編譯器可(kě)能會将它與p3所指向的(de)"123456"優化(huà)成一個(gè)地方

　　}

　　代碼段、隻讀數據段、讀寫數據段、未初始化(huà)數據段屬于靜态區(qū)域，而堆和(hé)棧屬于動态區(qū)域。代碼段、隻讀數據段和(hé)讀寫數據段将在鏈接之後産生，未初始化(huà)數據段将在程序初始化(huà)的(de)時(shí)候開辟，而堆和(hé)棧将在程序的(de)運行中分(fēn)配和(hé)釋放。C語言程序分(fēn)爲映像和(hé)運行時(shí)兩種狀态。在編譯-連接後形成的(de)映像中，将隻包含代碼段(Text)、隻讀數據段(RO Data)和(hé)讀寫數據段(RW Data)。在程序運行之前，将動态生成未初始化(huà)數據段(BSS)，在程序的(de)運行時(shí)還(hái)将動态形成堆(Heap)區(qū)域和(hé)棧(Stack)區(qū)域。一般來(lái)說，在靜态的(de)映像文件中，各個(gè)部分(fēn)稱之爲節(Section)，而在運行時(shí)的(de)各個(gè)部分(fēn)稱之爲段(Segment)。如果不詳細區(qū)分(fēn)，可(kě)以統稱爲段。

　　知識點：

　　C語言在編譯和(hé)連接後，将生成代碼段(Text)、隻讀數據段(RO Data)和(hé)讀寫數據段(RW Data)。在運行時(shí)，除了(le)以上三個(gè)區(qū)域外，還(hái)包括未初始化(huà)數據段(BSS)區(qū)域和(hé)堆(Heap)區(qū)域和(hé)棧(Stack)區(qū)域。

　　二：C語言程序的(de)段

　　1.代碼段(code或text)

　　代碼段由各個(gè)函數産生，函數的(de)每一個(gè)語句将最終經過編繹和(hé)彙編生成二進制機器代碼(具體生生哪種體系結構的(de)機器代碼由編譯器決定)。

　　2.隻讀數據段(RO Data)

　　隻讀數據段由程序中所使用(yòng)的(de)數據産生，該部分(fēn)數據的(de)特點是在運行中不需要改變，因此編譯器會将該數據段放入隻讀的(de)部分(fēn)中。C語言中的(de)隻讀全局變量，隻讀局部變量，程序中使用(yòng)的(de)常量等會在編譯時(shí)被放入到隻讀數據區(qū)。

　　注意：定義全局變量const char a[100]={"ABCDEFG"};将生成大(dà)小爲100個(gè)字節的(de)隻讀數據區(qū)，并使用(yòng)“ABCDEFG”初始化(huà)。如果定義爲：const char a[ ]={"ABCDEFG"};則根據字符串長(cháng)度生成8個(gè)字節的(de)隻讀數據段(還(hái)有’\0’)，所以在隻讀數據段中，一般都需要做(zuò)完全的(de)初始化(huà)。

　　3.讀寫數據段(RW Data)

　　讀寫數據段表示了(le)在目标文件中一部分(fēn)可(kě)以讀也(yě)可(kě)以寫的(de)數據區(qū)，在某些場(chǎng)合它們又被稱爲已初始化(huà)數據段，這(zhè)部分(fēn)數據段和(hé)代碼段，與隻讀數據段一樣都屬于程序中的(de)靜态區(qū)域，但具有可(kě)寫性的(de)特點。通(tōng)常已初始化(huà)的(de)全局變量和(hé)局部靜态變量被放在了(le)讀寫數據段，如： 在函數中定義static char b[ 100]={“ABCDEFG”};讀寫數據區(qū)的(de)特點是必須在程序經過初始化(huà)，如果隻定義，沒初始值，則不會生成讀寫數據區(qū)，而會定位爲未初始化(huà)數據區(qū)(BSS)。如果全局變量(函數外部定義的(de)變量)加入static修飾，這(zhè)表示隻能在文件内使用(yòng)，而不能被其他(tā)文件使用(yòng)。

　　4. 未初始化(huà)數據段(BSS)

　　與讀寫數據段類似，它也(yě)屬于靜态數據區(qū)，但是該段中的(de)數據沒有經過初始化(huà)。因此它隻會在目标文件中被标識，而不會真正稱爲目标文件中的(de)一段，該段将會在運行時(shí)産生。未初始化(huà)數據段隻在運行的(de)初始化(huà)階段才會産生，因此它的(de)大(dà)小不會影(yǐng)響目标文件的(de)大(dà)小。

　　在C語言的(de)程序中，對(duì)變量的(de)使用(yòng)還(hái)有以下(xià)幾點需要注意：

　　1.函數體中定義的(de)變量通(tōng)常是在棧上，不需要在程序中進行管理(lǐ)，由編繹器處理(lǐ)。

　　2.用(yòng)malloc,calloc,realloc等分(fēn)配内存的(de)函數所分(fēn)配的(de)内存空間在堆上，程序必須保證在使用(yòng)free釋放，否則會發生内存洩漏。

　　3.所有函數體外定義的(de)是全局變量，加了(le)static後的(de)變量不管是在函數内部或外部都放在全局區(qū)。

　　4.使用(yòng)const定義的(de)變量将放于程序的(de)隻讀數據區(qū)。

　　三：程序中段的(de)使用(yòng)

　　下(xià)面用(yòng)一個(gè)簡單的(de)例子來(lái)說明(míng)C語言中變量和(hé)段的(de)對(duì)應關系。C語言程序中的(de)全局區(qū)(靜态區(qū))，實際對(duì)應著(zhe)下(xià)述幾個(gè)段：RO Data; RW Data ; BSS Data.

　　一般來(lái)說，直接定義的(de)全局變量在未初始化(huà)數據區(qū)，如果該變量有初始化(huà)則是在已初始化(huà)數據區(qū)(RW Data)，加上const則将放在隻讀數據區(qū)。

　　const char ro[ ] = {"this is read only data"}; //隻讀數據區(qū)

　　static char rw_1[ ] ={"this is global read write data"}; //已初始化(huà)讀寫數據段

　　char BSS_1[ 100]; //未初始化(huà)數據段

　　const char *ptrconst ="constant data"; //字符串放在隻讀取數據段

　　int main()

　　{

　　short b; //在棧上，占用(yòng)2個(gè)字節

　　char a[100]; //在棧上開辟100個(gè)字節， 它的(de)值是其首地址

　　char s[ ]="abcdefg"; //s在棧上，占用(yòng)4個(gè)字節，"abcdefg"本身放置在隻讀數據存儲區(qū)，占8個(gè)字節

　　char *p1; //p1在棧上，占用(yòng)4個(gè)字節

　　char *p2="123456"; //p2 在棧上，p2指向的(de)内容不能改，“123456”在隻讀數據區(qū)

　　static char rw_2[ ]={"this is local read write data"};//局部已初始化(huà)讀寫數據段

　　static char BSS_2[100]; //局部未初始化(huà)數據段

　　static int c = 0; //全局(靜态)初始化(huà)區(qū)

　　p1=(char *)malloc(10 * sizeof(char ) ); //分(fēn)配内存區(qū)域在堆區(qū)

　　strcpy(p1,"xxxx"); //“XXXX”放在隻讀數據區(qū)，占5個(gè)字節

　　free(p1); //使用(yòng)free釋放p1所指向的(de)内存

　　return 0;

　　}

　　讀寫數據段包含了(le)憶初始化(huà)的(de)全局變量 static char rw_1[ ]以及局部靜态變量static rw_2[ ].其差别在于編繹時(shí)，是在函數内部使用(yòng)的(de)還(hái)是可(kě)以在整個(gè)文件中使用(yòng)。對(duì)于rw_1[] 無論有無static 修飾，其都将被放置在讀寫數據區(qū)，隻是能否被其它文件引用(yòng)與否。對(duì)于後者就不一樣了(le)，它是局部靜态變量，放置在讀寫數據區(qū)，如果沒static修飾，其意義完全改變，它将會是開辟在棧空間的(de)局部變量，而不是靜态變量，在這(zhè)裏rw_1[],rw_2[]後沒具體數值，表示靜态區(qū)大(dà)小同後面字符串長(cháng)度決定。

　　對(duì)于未初始化(huà)數據區(qū)BSS_1[100]與BSS_2[100]，其區(qū)别在于前者是全局變量，在所有文件中都可(kě)以使用(yòng);後者是局部變量，隻在函數内部使用(yòng)。未初始化(huà)數據段不設置後面的(de)初始化(huà)數值，因此必須使用(yòng)數值指定區(qū)域的(de)大(dà)小，編繹器将根據大(dà)小設置BSS中需要增加的(de)長(cháng)度。

　　棧空間主要用(yòng)于以下(xià)3數據的(de)存儲：

　　1.函數内部的(de)動态變量

　　2.函數的(de)參數

　　3.函數的(de)返回值