C语言程序的内存布局

C语言程序的内存布局

一：C语言程序的存储区域

           C语言编写的程序经过编绎-链接后，将形成一个统一的文件，它由几个部分组成，在程序运行时又会产生几个其他部分，各个部分代表了不同的存储区域：

1.代码段（Code or Text）：

代码段由程序中的机器码组成。在C语言中，程序语句进行编译后，形成机器代码。在执行程序的过程中，CPU的程序计数器指向代码段的每一条代码，并由处理器依次运行。

2.只读数据段（RO data）：

           只读数据段是程序使用的一些不会被更改的数据，使用这些数方式类似查表式的操作，由于这些变量不需要更改，因此只需要放置在只读存储器中即可。

3.已初始化读写数据段(RW data)：

           已初始化数据是在程序中声明，并且具有初值的变量，这些变量需要占用存储器的空间，在程序执行时它们需要位于可读写的内存区域内，并具有初值，以供程序运行时读写。

4.未初始化读写数据段(BSS)：

           未初始化读写据是在程序中声明，但是没有初始化的变量，这些变量在程序运行之前不需要占用存储器的空间。

5.堆(heap)：

           堆内存只在程序运行时出现，一般由程序员分配和释放。在具有操作系统的情况下，如果程序员没释放，操作系统可以在程序结束后回收内存。

6.栈(stack)：

栈内存只在程序运行时出现，在函数内部使用的变量，函数的参数以及返回值将使用栈空间，栈空间由编译器自动分配和释放。

 

C语言目标文件的内存布局如图：

Code

RO data

RW data

 

代码段，只读数据段，读写数据段，未初始化数据段属于静态区域，而堆和栈属于动态区域。代码段，只读数据段和读写数据段将在连接之后产生，未初始化数据段将在程序初始化的时候开辟，而堆和栈将在程序的运行中分配和释放。

C语言程序分为映像和运行时两种状态，在编译连接后形成的映像中，将只包含代码段，只读数据段和读写数据段，在程序运行之前，将动态生成未初始化数据段，在程序运行时还将动态形成堆区域和栈区域。

一般来说，在静态的映像文件中，各个部分称之为节（Section）,而在运行时的各个部分称之为段(Segment)，有时统称为段。

二：C语言程序的段

1.代码段（code）

代码段由各个函数产生，函数的每一个语句将最终经过编绎和汇编生成二进制机器代码（具体生生哪种体系结构的机器代码由编译器决定）。

2.只读数据段（RO Data）

只读数据段由程序中所使用的数据产生，该部分数据的特点是在运行中不需要改变，因此编译器会将该数据段放入只读的部分中。C语言中的只读全局变量，只读局部变量，程序中使用的常量等会在编译时被放入到只读数据区。注意：

定义全局变量const char a[100]={"ABCDEFG"};将生成大小为100个字节的只读数据区，并使用“ABCDEFG”初始化。如果定义为：const char a[ ]={"ABCDEFG"};则根据字符串长度生成8个字节的只读数据段（还有’\0’），所以在只读数据段中，一般都需要做完全的初始化。

3.  读写数据段（RW Data）

读写数据段表示了在目标文件中一部分可以读也可以写的数据区，在某些场合它们又被称为已初始化数据段，这部分数据段和代码段，与只读数据段一样都属于程序中的静态区域，但具有可写性的特点。通常已初始化的全局变量和局部静态变量被放在了读写数据段，如: 在函数中定义static char b[ 100]={“ABCDEFG”};读写数据区的特点是必须在程序经过初始化，如果只定义，没初始值，则不会生成读写数据区，而会定位为未初始化数据区（BSS）。

如果全局变量（函数外部定义的变量）加入static修饰，这表示只能在文件内使用，而不能被其他文件使用。

4. 未初始化数据段（BSS）

与读写数据段类似，它也属于静态数据区，但是该段中的数据没有经过初始化。因此它只会在目标文件中被标识，而不会真正称为目标文件中的一段，该段将会在运行时产生。未初始化数据段只在运行的初始化阶段才会产生，因此它的大小不会影响目标文件的大小。

 

 

在C语言的程序中，对变量的使用还有以下几点需要注意：

1.    函数体中定义的变量通常是在栈上，不需要在程序中进行管理，由编绎器处理。

2.    用malloc,calloc,realloc等分配内存的函数所分配的内存空间在堆上，程序必须保证在使用free释放，否则会发生内存泄漏。

3.    所有函数体外定义的是全局变量，加了static后的变量不管是在函数内部或外部都放在全局区。

4.    使用const定义的变量将放于程序的只读数据区。

 

三：程序中段的使用

下面用一个简单的例子来说明C语言中变量和段的对应关系。C语言程序中的全局区（静态区），实际对应着下述几个段：RO Data; RW Data ; BSS Data.

一般来说，直接定义的全局变量在未初始化数据区，如果该变量有初始化则是在已初始化数据区（RW Data），加上const则将放在只读数据区。

例：const char ro[ ] = {"this is read only data"}; /      /只读数据区

static char rw_1[ ] ={"this is global read write data"}; //已初始化读写数据段

char BSS_1[ 100];                                                   //未初始化数据段

const char *ptrconst ="constant data";                        //字符串放在只读取数据段

 

int main()

{

       short b;                                                           //在栈上，占用2个字节

       char a[100];                                //在栈上开辟100个字节，工的值是其首地址

       char s[ ]="abcdefg";             //s在栈上，占用4个字节

                                          //“abcdefg”本身放置在只读数据存储区，占8个字节

 

       char *p1;                                    //p1在栈上，占用4个字节              

       char *p2="123456";                    //p2 在栈上，p2指向的内容不能改，

                                                        //“123456”在只读数据区

 

       static char rw_2[ ]={"this is local read write data"};//局部已初始化读写数据段

       static char BSS_2[100];                                    //局部未初始化数据段

       static int c = 0;                                                        //全局（静态）初始化区

       p1=(char *)malloc(10 * sizeof(char ) );                     //分配内存区域在堆区

       strcpy(p1,"xxxx");                       //“XXXX”放在只读数据区，占5个字节

       free(p1);                              //使用free释放p1所指向的内存

       return 0;

}

 

读写数据段包含了忆初始化的全局变量 static char rw_1[ ]以及局部静态变量static rw_2[ ].其差别在于编绎时，是在函人部使用的还是可以在整个文件中使用。对于rw_1[] 无论有无static 修饰，其都将被放置在读写数据区，只是能否被其它文件引用与否。对于后者就不一样了，它是局部静态变量，放置在读写数据区，如果没static修饰，其意义完全改变，它将会是开辟在栈空间的局部变量，而不是静态变量，在这里rw_1[],rw_2[]后没具体数值，表示静态区大小同后面字符串长度决定。

对于未初始化数据区BSS_1[100]与BSS_2[100]，其区别在于前者是全局变量，在所有文件中都可以使用；后者是局部变量，只在函数内部使用。未初始化数据段不设置后面的初始化数值，因此必须使用数值指定区域的大小，编绎器将根据大小设置BSS中需要增加的长度。

栈空间主要用于以下3数据的存储：

1.    函数内部的动态变量

2.    函数的参数

3.    函数的返回值

栈空间是动态开辟与回收的。在函数调用过程中，如果函数调用的层次比较多，所需要的栈空间也逐渐加大，对于参数的传递和返回值，如果使用较大的结构体，在使用的栈空间也会比较大。