C語言編程程序的內(nèi)存如何布局
C語言程序連接過程中的特性和常見錯(cuò)誤
C語言程序的運(yùn)行方式
一：C語言程序的存儲(chǔ)區(qū)域
由C語言代碼(文本文件)形成可執(zhí)行程序(二進(jìn)制文件)，需要經(jīng)過編譯-匯編-連接三個(gè)階段嘿架。編譯過程把C語言文本文件生成匯編程序，匯編過程把匯編程序形成二進(jìn)制機(jī)器代碼夹界，連接過程則將各個(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語言編寫的程序經(jīng)過編譯-連接后隘世，將形成一個(gè)統(tǒng)一文件可柿，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)部分以舒，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)器代碼組成趾痘。在C語言中，程序語句進(jìn)行編譯后蔓钟，形成機(jī)器代碼永票。在執(zhí)行程序的過程中，CPU的程序計(jì)數(shù)器指向代碼段的每一條機(jī)器代碼滥沫，并由處理器依次運(yùn)行侣集。
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兰绣，由于這些變量不需要更改竭鞍，因此只需要放置在只讀存儲(chǔ)器中即可焕襟。
3.已初始化讀寫數(shù)據(jù)段(RW data)
已初始化數(shù)據(jù)是在程序中聲明届案，并且具有初值的變量弱睦，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)臀玄，并具有初值瓢阴，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)是在程序中聲明健无，但是沒有初始化的變量荣恐，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)累贤，一般由程序員分配和釋放叠穆。在具有操作系統(tǒng)的情況下，如果程序沒有釋放臼膏，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)存硼被。
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)部使用的變量讶请、函數(shù)的參數(shù)以及返回值將使用椀凰唬空間屎媳，椂嵋纾空間由編譯器自動(dòng)分配和釋放论巍。
C語言目標(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)，风响。data段
static int b=20; //全局初始化區(qū)嘉汰，。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)状勤，p3 在棧上鞋怀。
p1 = (char*) malloc(10);//分配得來的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
}
代碼段持搜、只讀數(shù)據(jù)段密似、讀寫數(shù)據(jù)段、未初始化數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)區(qū)域葫盼，而堆和棧屬于動(dòng)態(tài)區(qū)域残腌。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)生贫导，未初始化數(shù)據(jù)段將在程序初始化的時(shí)候開辟抛猫，而堆和棧將在程序的運(yùn)行中分配和釋放。C語言程序分為映像和運(yùn)行時(shí)兩種狀態(tài)孩灯。在編譯-連接后形成的映像中闺金，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)峰档。在程序運(yùn)行之前败匹，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)域讥巡。一般來說掀亩，在靜態(tài)的映像文件中，各個(gè)部分稱之為節(jié)(Section)尚卫，而在運(yùn)行時(shí)的各個(gè)部分稱之為段(Segment)归榕。如果不詳細(xì)區(qū)分，可以統(tǒng)稱為段吱涉。
知識(shí)點(diǎn)：
C語言在編譯和連接后刹泄，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)怎爵。在運(yùn)行時(shí)特石，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)域鳖链。
二：C語言程序的段
1.代碼段(code或text)
代碼段由各個(gè)函數(shù)產(chǎn)生姆蘸，函數(shù)的每一個(gè)語句將最終經(jīng)過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)墩莫。
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)行中不需要改變逞敷，因此編譯器會(huì)將該數(shù)據(jù)段放入只讀的部分中狂秦。C語言中的只讀全局變量，只讀局部變量推捐，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)裂问。
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”初始化牛柒。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’)堪簿，所以在只讀數(shù)據(jù)段中，一般都需要做完全的初始化皮壁。
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)椭更，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)段和代碼段蛾魄，與只讀數(shù)據(jù)段一樣都屬于程序中的靜態(tài)區(qū)域虑瀑，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)段畏腕，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)過初始化缴川，如果只定義，沒初始值描馅，則不會(huì)生成讀寫數(shù)據(jù)區(qū)把夸，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修飾铭污，這表示只能在文件內(nèi)使用恋日，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)段類似嘹狞，它也屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)岂膳，但是該段中的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過初始化。因此它只會(huì)在目標(biāo)文件中被標(biāo)識(shí)磅网，而不會(huì)真正稱為目標(biāo)文件中的一段谈截，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)生涧偷，因此它的大小不會(huì)影響目標(biāo)文件的大小簸喂。
在C語言的程序中，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燎潮，不需要在程序中進(jìn)行管理喻鳄，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)存空間在堆上确封，程序必須保證在使用free釋放除呵，否則會(huì)發(fā)生內(nèi)存泄漏再菊。
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)颜曾。
4.使用const定義的變量將放于程序的只讀數(shù)據(jù)區(qū)纠拔。
三：程序中段的使用
下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明C語言中變量和段的對(duì)應(yīng)關(guān)系。C語言程序中的全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))泛啸，實(shí)際對(duì)應(yīng)著下述幾個(gè)段：RO Data; RW Data ; BSS Data.
一般來說绿语，直接定義的全局變量在未初始化數(shù)據(jù)區(qū)秃症，如果該變量有初始化則是在已初始化數(shù)據(jù)區(qū)(RW Data)候址，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; //在棧上种柑，占用2個(gè)字節(jié)
char a[100]; //在棧上開辟100個(gè)字節(jié)岗仑， 它的值是其首地址
char s[ ]="abcdefg"; //s在棧上，占用4個(gè)字節(jié)聚请，"abcdefg"本身放置在只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)荠雕，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 在棧上驶赏，p2指向的內(nèi)容不能改炸卑，“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)煤傍，是在函數(shù)內(nèi)部使用的還是可以在整個(gè)文件中使用盖文。對(duì)于rw_1[] 無論有無static 修飾，其都將被放置在讀寫數(shù)據(jù)區(qū)蚯姆，只是能否被其它文件引用與否五续。對(duì)于后者就不一樣了，它是局部靜態(tài)變量龄恋，放置在讀寫數(shù)據(jù)區(qū)疙驾，如果沒static修飾，其意義完全改變郭毕，它將會(huì)是開辟在椝椋空間的局部變量，而不是靜態(tài)變量显押，在這里rw_1[],rw_2[]后沒具體數(shù)值扳肛，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]煮落，其區(qū)別在于前者是全局變量敞峭，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)部使用蝉仇。未初始化數(shù)據(jù)段不設(shè)置后面的初始化數(shù)值旋讹，因此必須使用數(shù)值指定區(qū)域的大小殖蚕，編繹器將根據(jù)大小設(shè)置BSS中需要增加的長(zhǎng)度。
棾良＃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
椖酪撸空間是動(dòng)態(tài)開辟與回收的。在函數(shù)調(diào)用過程中鞭呕，如果函數(shù)調(diào)用的層次比較多蛤育，所需要的棧空間也逐漸加大葫松，對(duì)于參數(shù)的傳遞和返回值瓦糕，如果使用較大的結(jié)構(gòu)體，在使用的椧该矗空間也會(huì)比較大咕娄。
