关于C语言程序的内存分配的入门知识学习

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：

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。
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。
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。
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。
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。
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：

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。

C语言程序的段

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）。
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。
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。
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：

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。
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。
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。
使用const定义的变量将放于程序的只读数据区。

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，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。

堆与栈的比较

1.申请方式

　　stack: 由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。

　　heap: 需要程序员自己申请，并指明大小，在C中malloc函数，C++中是new运算符。

　　如

p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];

　　如

p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];

　　但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.申请后系统的响应

　　栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

　　堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。

　　对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。

　　由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

3.申请大小的限制

　　栈：在Windows下，栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M(也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数)，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

　　堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

4.申请效率的比较

　　栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

　　堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来最方便。

　　另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是栈，而是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

5.堆和栈中的存储内容

　　栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

　　当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。

　　堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

6.存取效率的比较

　　char s1[] = "a";

　　char *s2 = "b";

　　a是在运行时刻赋值的;而b是在编译时就确定的;但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

　　比如：

　　int　main(){

　　char a = 1;

　　char c[] = "1234567890";

　　char *p ="1234567890";

　　a = c[1];

　　a = p[1];

　　return 0;

　　}

　　对应的汇编代码

　　10: a = c[1];

　　00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]

　　0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl

　　11: a = p[1];

　　0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]

　　00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]

　　00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

　　第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。

7.小结

　　堆和栈的主要区别由以下几点：

　　（1）、管理方式不同;

　　（2）、空间大小不同;

　　（3）、能否产生碎片不同;

　　（4）、生长方向不同;

　　（5）、分配方式不同;

　　（6）、分配效率不同;

　　管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制;对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

　　空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。当然，这个值可以修改。

　　碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构。

　　生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

　　分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由mallo函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

　　分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多)，就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

　　从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持，效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址， EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。

　　虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。

　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界)，因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果。