C语言程序的内存布局

重点关注以下内容：

C语言程序在内存中各个段的组成
C语言程序连接过程中的特性和常见错误
C语言程序的运行方式

一：C语言程序的存储区域
由C语言代码（文本文件）形成可执行程序（二进制文件），需要经过编译-汇编-连接三个阶段。编译过程把C语言文本文件生成汇编程序，汇编过程把汇编程序形成二进制机器代码，连接过程则将各个源文件生成的二进制机器代码文件组合成一个文件。
C语言编写的程序经过编译-连接后，将形成一个统一文件，它由几个部分组成。在程序运行时又会产生其他几个部分，各个部分代表了不同的存储区域：
1．代码段（Code或Text）
代码段由程序中执行的机器代码组成。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机器代码，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，使用这些数据的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．未初始化数据段（BSS）
未初始化数据是在程序中声明，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，如果程序没有释放，操作系统可能在程序（例如一个进程）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所示。

                            C语言目标文件的内存布局

看一个例子：
int a = 0;                           //全局初始化为0，.data段 （应该是.bss段）
static int b=20;                 //全局初始化区，.data段
char *p1;                          //全局未初始化区 .bss段
const int A = 10;              //.rodata段
void main(void)  
{   
    int b;                             //栈
    char s[] = "abc";           //栈
    char *p2;                      //栈
    static int c = 0;             //全局（静态）初始化区 .data段
    char *p3 = "123456";   //123456\0在常量区，p3 在栈上。
    p1 = (char*) malloc(10);//分配得来的10和20个字节的区域就在堆区
    p2 = (char*) malloc(20);   
    strcpy(p1, "123456");    //123456\0 在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方
}  
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链接之后产生，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（Text）、只读数据段（RO Data）和读写数据段（RW Data）。在程序运行之前，将动态生成未初始化数据段（BSS），在程序的运行时还将动态形成堆（Heap）区域和栈（Stack）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）。如果不详细区分，可以统称为段。

知识点：
C语言在编译和连接后，将生成代码段（Text）、只读数据段（RO Data）和读写数据段（RW Data）。在运行时，除了以上三个区域外，还包括未初始化数据段（BSS）区域和堆（Heap）区域和栈（Stack）区域。

二：C语言程序的段

 1.代码段（code或text）
   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。

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， 它的值是其首地址
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，是在函数内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。