c語言在內存中的分佈

參考文章https://www.cnblogs.com/yif1991/p/5049638.html

存儲時結構

首先寫一個c語言版的Hello World

#include <stdio.h>
void main()
{
    printf("hello,world\n");
}

將該段程序寫在一個hello.c的文件中。打開終端，編譯hello.c生成一個a.out的文件。

終端上展示的是一個c語言的可執行文件在不同的內存所佔的空間，text、data、bss分別代表內存中不同的區域，dec代表十進制總和，hex代表着16進制總和，filename代表着文件名。

text 代碼區。

• 程序被操作系統加載到內存的時候，所有的可執行代碼（程序代碼指令、常量字符串等）都加載到代碼區，這塊內存在程序運行期間是不變的。代碼區是平行的，裏面裝的就是一堆指令，在程序運行期間是不能改變的。函數也是代碼的一部分，故函數都被放在代碼區，包括main函數。

• 注意：“int a = 0;”語句可拆分成”int a;”和”a = 0”，定義變量a的”int a;”語句並不是代碼，它在程序編譯時就執行了，並沒有放到代碼區，放到代碼區的只有”a = 0”這句。

靜態區

• 該區包含了在程序中明確被初始化的全局變量、靜態變量（包括全局靜態變量和局部靜態變量）和常量數據（如字符串常量）

int x = 99;
static x = 100; 

未初始化數據區

• BSS區（uninitialized data segment）
• BSS區的數據在程序開始執行之前被內核初始化爲0或者空指針（NULL）

int x;

以上爲可執行代碼存儲時結構。

運行時結構

運行時結構多個棧區和堆區。

棧(stack)

• 一種先進後出的內存結構，局部變量（自動變量）和函數形式參數都存儲在此，存儲的這個動作由編譯器自動完成，寫程序時不需要考慮。
• 棧區在程序運行期間是可以隨時修改的。當一個自動變量超出其作用域時，自動從棧中彈出。
• 每個線程都有自己專屬的棧。
• 棧的最大尺寸固定，超出則引起棧溢出。
• 變量離開作用域後棧上的內存會自動釋放。

下面這個例子可以看出地址分配規律。

#include <stdio.h>

int n = 0;
void test(int a, int b);

int main() {
    static int m = 0;
    int a = 0;
    int b = 0;
    printf("自動變量a的地址是：%d\n自動變量b的地址是：%d\n", &a, &b);
    printf("全局變量n的地址是：%d\n靜態變量m的地址是：%d\n", &n, &m);
    test(a, b);
    printf("main函數的地址是：%d", &main);
}

void test(int x, int y)
{
    printf("形式參數x的地址是：%d\n形式參數y的地址是：%d\n",&x, &y);
}

運行結果如下：

• 由運行結果可以知道局部變量和形參地址相似，存儲在一個內存區；全局變量和靜態變量地址相似，存儲在一個區。根據運行結果中a,b,x,y的地址值大小可以還原佔內存的內存分配原理。局部變量按照執行順序入棧，函數參數的入棧順序是從右到左。

內存與指針

#include <stdio.h>
int *getx()
{
    int x = 10;
    return &x;
}

int main()
{
    int *p = getx();

    printf("%d\n", *getx());
    printf("%d\n", *p);

    *p = 20;
    printf("%d\n", *p);
}

這段代碼沒有任何語法錯誤，編譯也可以正常通過。因爲int *p = getx()中變量x的作用域爲getx()函數體內部，這裏得到一個臨時棧變量x的地址，getx()函數調用結束後這個地址就無效了。所以有關於這個地址的任何操作都不一定成立了。

• 棧不會很大，一般都是以K爲單位。如果在程序中直接將較大的數組保存在函數內的棧變量中，很可能會內存溢出，導致程序崩潰。比較大的內存就要用到堆（heap）內存了。

堆(heap)

1. 堆是一種在程序運行過程中可以隨時修改的內存區域，但沒有棧那樣先進後出的順序。更重要的是堆是一個大容器，它的容量要遠遠大於棧，這可以解決上面實驗三造成的內存溢出困難。一般比較複雜的數據類型都是放在堆中。
2. 在C語言中，堆內存空間的申請和釋放需要手動通過代碼來完成。對於一個32位操作系統，最大管理管理4G內存，其中1G是給操作系統自己用的，剩下的3G都是給用戶程序，一個用戶程序理論上可以使用3G的內存空間。堆上的內存必須手動釋放（C/C++）

malloc與free

• malloc函數用來在堆中分配指定大小的內存，單位爲字節（Byte），函數返回void *指針。
• free負責在堆中釋放malloc分配的內存。malloc與free一定成對使用。

#include <stdio.h>
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
void print_array(char *p, char n)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);
    }
}

int main()
{
    char *p = (char *)malloc(1024*1024*1024);//在堆中申請了內存
    memset(p, 'a', 10);//初始化內存
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        p[i] = i + 65;
    }
    print_array(p, 10);
    free(p);//釋放申請的堆內存
}

運行結果如下：

改造佔內存中那個以指針作爲返回值的getx()的例子，改爲申請堆內存，即可完成需求，但一定用通過free函數釋放申請的堆內存空間。改造以後的函數如下：

#include <stdio.h>
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
int *getx()
{
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));//申請了一個堆空間
    return p;
}


int main()
{
    int *pp = getx();
    *pp = 10;

    printf("%d\n", *pp);

    free(pp);
}

用來在堆中申請內存空間的函數還有calloc和realloc，用法與malloc類似。文章地址：https://www.cnblogs.com/lidabo/p/4611411.html

動態創建數組，則用堆。

#include <stdio.h>
#include "stdlib.h"

int main() {
    int len;
    int * arr;

    printf("請輸入數組長度:");
    scanf("%d", &len);
    arr = (int *)malloc(sizeof(int)*len);

    printf("請輸入數組的值:");
    for ( int i = 0; i < len; i ++) {
        scanf("%d", &arr[i]);
    }
    for (int j = 0; j < len; j ++) {
        printf("%d:%d ", j , arr[j]);
    }
    free(arr);
    return 0;
}