教您布局C語(yǔ)言編程程序的內(nèi)存

重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：

C語(yǔ)言程序在內(nèi)存中各個(gè)段的組成

C語(yǔ)言程序連接過(guò)程中的特性和常見(jiàn)錯(cuò)誤

C語(yǔ)言程序的運(yùn)行方式

一：C語(yǔ)言程序的存儲(chǔ)區(qū)域

由C語(yǔ)言代碼（文本文件）形成可執(zhí)行程序（二進(jìn)制文件），需要經(jīng)過(guò)編譯-匯編-連接三個(gè)階段。編譯過(guò)程把C語(yǔ)言文本文件生成匯編程序，匯編過(guò)程把匯編程序形成二進(jìn)制機(jī)器代碼，連接過(guò)程則將各個(gè)源文件生成的二進(jìn)制機(jī)器代碼文件組合成一個(gè)文件。

C語(yǔ)言編寫的程序經(jīng)過(guò)編譯-連接后，將形成一個(gè)統(tǒng)一文件，它由幾個(gè)部分組成。在程序運(yùn)行時(shí)又會(huì)產(chǎn)生其他幾個(gè)部分，各個(gè)部分代表了不同的存儲(chǔ)區(qū)域：

1.代碼段（Code或Text）

代碼段由程序中執(zhí)行的機(jī)器代碼組成。在C語(yǔ)言中，程序語(yǔ)句進(jìn)行編譯后，形成機(jī)器代碼。在執(zhí)行程序的過(guò)程中，CPU的程序計(jì)數(shù)器指向代碼段的每一條機(jī)器代碼，并由處理器依次運(yùn)行。

2.只讀數(shù)據(jù)段（RO data）

只讀數(shù)據(jù)段是程序使用的一些不會(huì)被更改的數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)的方式類似查表式的操作，由于這些變量不需要更改，因此只需要放置在只讀存儲(chǔ)器中即可。

3.已初始化讀寫數(shù)據(jù)段（RW data）

已初始化數(shù)據(jù)是在程序中聲明，并且具有初值的變量，這些變量需要占用存儲(chǔ)器的空間，在程序執(zhí)行時(shí)它們需要位于可讀寫的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)，并具有初值，以供程序運(yùn)行時(shí)讀寫。

4.未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）

未初始化數(shù)據(jù)是在程序中聲明，但是沒(méi)有初始化的變量，這些變量在程序運(yùn)行之前不需要占用存儲(chǔ)器的空間。

5.堆（heap）

堆內(nèi)存只在程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，一般由程序員分配和釋放。在具有操作系統(tǒng)的情況下，如果程序沒(méi)有釋放，操作系統(tǒng)可能在程序（例如一個(gè)進(jìn)程）結(jié)束后回收內(nèi)存。

6.棧（stack）

棧內(nèi)存只在程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，在函數(shù)內(nèi)部使用的變量、函數(shù)的參數(shù)以及返回值將使用棧空間，棧空間由編譯器自動(dòng)分配和釋放。

C語(yǔ)言目標(biāo)文件的內(nèi)存布局

看一個(gè)例子：

int a = 0; //全局初始化區(qū)，。data段

static int b=20; //全局初始化區(qū)，。data段

char *p1; //全局未初始化區(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（靜態(tài)）初始化區(qū) .data段

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

p1 = （char*） malloc（10）;//分配得來(lái)的10和20個(gè)字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)

p2 = （char*） malloc（20）;

strcpy（p1， “123456”）; //123456\0 在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)將它與p3所指向的“123456”優(yōu)化成一個(gè)地方

}

代碼段、只讀數(shù)據(jù)段、讀寫數(shù)據(jù)段、未初始化數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)區(qū)域，而堆和棧屬于動(dòng)態(tài)區(qū)域。代碼段、只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段將在鏈接之后產(chǎn)生，未初始化數(shù)據(jù)段將在程序初始化的時(shí)候開(kāi)辟，而堆和棧將在程序的運(yùn)行中分配和釋放。C語(yǔ)言程序分為映像和運(yùn)行時(shí)兩種狀態(tài)。在編譯-連接后形成的映像中，將只包含代碼段（Text）、只讀數(shù)據(jù)段（RO Data）和讀寫數(shù)據(jù)段（RW Data）。在程序運(yùn)行之前，將動(dòng)態(tài)生成未初始化數(shù)據(jù)段（BSS），在程序的運(yùn)行時(shí)還將動(dòng)態(tài)形成堆（Heap）區(qū)域和棧（Stack）區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，在靜態(tài)的映像文件中，各個(gè)部分稱之為節(jié)（Section），而在運(yùn)行時(shí)的各個(gè)部分稱之為段（Segment）。如果不詳細(xì)區(qū)分，可以統(tǒng)稱為段。

知識(shí)點(diǎn)：

C語(yǔ)言在編譯和連接后，將生成代碼段（Text）、只讀數(shù)據(jù)段（RO Data）和讀寫數(shù)據(jù)段（RW Data）。在運(yùn)行時(shí)，除了以上三個(gè)區(qū)域外，還包括未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）區(qū)域和堆（Heap）區(qū)域和棧（Stack）區(qū)域。

二：C語(yǔ)言程序的段

1.代碼段（code或text）

代碼段由各個(gè)函數(shù)產(chǎn)生，函數(shù)的每一個(gè)語(yǔ)句將最終經(jīng)過(guò)編繹和匯編生成二進(jìn)制機(jī)器代碼（具體生生哪種體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器代碼由編譯器決定）。

2.只讀數(shù)據(jù)段（RO Data）

只讀數(shù)據(jù)段由程序中所使用的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，該部分?jǐn)?shù)據(jù)的特點(diǎn)是在運(yùn)行中不需要改變，因此編譯器會(huì)將該數(shù)據(jù)段放入只讀的部分中。C語(yǔ)言中的只讀全局變量，只讀局部變量，程序中使用的常量等會(huì)在編譯時(shí)被放入到只讀數(shù)據(jù)區(qū)。

注意：定義全局變量const char a［100］={“ABCDEFG”};將生成大小為100個(gè)字節(jié)的只讀數(shù)據(jù)區(qū)，并使用“ABCDEFG”初始化。如果定義為：const char a［ ］={“ABCDEFG”};則根據(jù)字符串長(zhǎng)度生成8個(gè)字節(jié)的只讀數(shù)據(jù)段（還有’\0’），所以在只讀數(shù)據(jù)段中，一般都需要做完全的初始化。

3.讀寫數(shù)據(jù)段（RW Data）

讀寫數(shù)據(jù)段表示了在目標(biāo)文件中一部分可以讀也可以寫的數(shù)據(jù)區(qū)，在某些場(chǎng)合它們又被稱為已初始化數(shù)據(jù)段，這部分?jǐn)?shù)據(jù)段和代碼段，與只讀數(shù)據(jù)段一樣都屬于程序中的靜態(tài)區(qū)域，但具有可寫性的特點(diǎn)。通常已初始化的全局變量和局部靜態(tài)變量被放在了讀寫數(shù)據(jù)段，如： 在函數(shù)中定義static char b［ 100］={“ABCDEFG”};讀寫數(shù)據(jù)區(qū)的特點(diǎn)是必須在程序經(jīng)過(guò)初始化，如果只定義，沒(méi)初始值，則不會(huì)生成讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，而會(huì)定位為未初始化數(shù)據(jù)區(qū)（BSS）。如果全局變量（函數(shù)外部定義的變量）加入static修飾，這表示只能在文件內(nèi)使用，而不能被其他文件使用。

4. 未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）

與讀寫數(shù)據(jù)段類似，它也屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，但是該段中的數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)初始化。因此它只會(huì)在目標(biāo)文件中被標(biāo)識(shí)，而不會(huì)真正稱為目標(biāo)文件中的一段，該段將會(huì)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生。未初始化數(shù)據(jù)段只在運(yùn)行的初始化階段才會(huì)產(chǎn)生，因此它的大小不會(huì)影響目標(biāo)文件的大小。

在C語(yǔ)言的程序中，對(duì)變量的使用還有以下幾點(diǎn)需要注意：

1.函數(shù)體中定義的變量通常是在棧上，不需要在程序中進(jìn)行管理，由編繹器處理。

2.用malloc，calloc，realloc等分配內(nèi)存的函數(shù)所分配的內(nèi)存空間在堆上，程序必須保證在使用free釋放，否則會(huì)發(fā)生內(nèi)存泄漏。

3.所有函數(shù)體外定義的是全局變量，加了static后的變量不管是在函數(shù)內(nèi)部或外部都放在全局區(qū)。

4.使用const定義的變量將放于程序的只讀數(shù)據(jù)區(qū)。

三：程序中段的使用

下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明C語(yǔ)言中變量和段的對(duì)應(yīng)關(guān)系。C語(yǔ)言程序中的全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)），實(shí)際對(duì)應(yīng)著下述幾個(gè)段：RO Data; RW Data ; BSS Data.

一般來(lái)說(shuō)，直接定義的全局變量在未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，如果該變量有初始化則是在已初始化數(shù)據(jù)區(qū)（RW Data），加上const則將放在只讀數(shù)據(jù)區(qū)。

const char ro［ ］ = {“this is read only data”}; //只讀數(shù)據(jù)區(qū)

static char rw_1［ ］ ={“this is global read write data”}; //已初始化讀寫數(shù)據(jù)段

char BSS_1［ 100］; //未初始化數(shù)據(jù)段

const char *ptrconst =“constant data”; //字符串放在只讀取數(shù)據(jù)段

int main（）

{

short b; //在棧上，占用2個(gè)字節(jié)

char a［100］; //在棧上開(kāi)辟100個(gè)字節(jié)， 它的值是其首地址

char s［ ］=“abcdefg”; //s在棧上，占用4個(gè)字節(jié)，“abcdefg”本身放置在只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，占8個(gè)字節(jié)

char *p1; //p1在棧上，占用4個(gè)字節(jié)

char *p2=“123456”; //p2 在棧上，p2指向的內(nèi)容不能改，“123456”在只讀數(shù)據(jù)區(qū)

static char rw_2［ ］={“this is local read write data”};//局部已初始化讀寫數(shù)據(jù)段

static char BSS_2［100］; //局部未初始化數(shù)據(jù)段

static int c = 0; //全局（靜態(tài)）初始化區(qū)

p1=（char *）malloc（10 * sizeof（char ） ）; //分配內(nèi)存區(qū)域在堆區(qū)

strcpy（p1，“xxxx”）; //“XXXX”放在只讀數(shù)據(jù)區(qū)，占5個(gè)字節(jié)

free（p1）; //使用free釋放p1所指向的內(nèi)存

return 0;

}

讀寫數(shù)據(jù)段包含了憶初始化的全局變量 static char rw_1［ ］以及局部靜態(tài)變量static rw_2［ ］。其差別在于編繹時(shí)，是在函數(shù)內(nèi)部使用的還是可以在整個(gè)文件中使用。對(duì)于rw_1［］ 無(wú)論有無(wú)static 修飾，其都將被放置在讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，只是能否被其它文件引用與否。對(duì)于后者就不一樣了，它是局部靜態(tài)變量，放置在讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，如果沒(méi)static修飾，其意義完全改變，它將會(huì)是開(kāi)辟在棧空間的局部變量，而不是靜態(tài)變量，在這里rw_1［］，rw_2［］后沒(méi)具體數(shù)值，表示靜態(tài)區(qū)大小同后面字符串長(zhǎng)度決定。

對(duì)于未初始化數(shù)據(jù)區(qū)BSS_1［100］與BSS_2［100］，其區(qū)別在于前者是全局變量，在所有文件中都可以使用;后者是局部變量，只在函數(shù)內(nèi)部使用。未初始化數(shù)據(jù)段不設(shè)置后面的初始化數(shù)值，因此必須使用數(shù)值指定區(qū)域的大小，編繹器將根據(jù)大小設(shè)置BSS中需要增加的長(zhǎng)度。

棧空間主要用于以下3數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)：

1.函數(shù)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變量

2.函數(shù)的參數(shù)

3.函數(shù)的返回值

棧空間是動(dòng)態(tài)開(kāi)辟與回收的。在函數(shù)調(diào)用過(guò)程中，如果函數(shù)調(diào)用的層次比較多，所需要的棧空間也逐漸加大，對(duì)于參數(shù)的傳遞和返回值，如果使用較大的結(jié)構(gòu)體，在使用的棧空間也會(huì)比較大。