C語言程序的存儲區(qū)域

C語言編寫的程序經(jīng)過編繹-鏈接后，將形成一個統(tǒng)一的文件，它由幾個部分組成，在程序運(yùn)行時(shí)又會產(chǎn)生幾個其他部分，各個部分代表了不同的存儲區(qū)域：

代碼段（Code or Text）：代碼段由程序中的機(jī)器碼組成。在C語言中，程序語句進(jìn)行編譯后，形成機(jī)器代碼。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代碼，并由處理器依次運(yùn)行。
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被更改的數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)方式類似查表式的操作，由于這些變量不需要更改，因此只需要放置在只讀存儲器中即可。
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，并且具有初值的變量，這些變量需要占用存儲器的空間，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)，并具有初值，以供程序運(yùn)行時(shí)讀寫。
未初始化讀寫數(shù)據(jù)段(BSS)：未初始化讀寫據(jù)是在程序中聲明，但是沒有初始化的變量，這些變量在程序運(yùn)行之前不需要占用存儲器的空間。
堆(heap)：堆內(nèi)存只在程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，一般由程序員分配和釋放。在具有操作系統(tǒng)的情況下，如果程序員沒釋放，操作系統(tǒng)可以在程序結(jié)束后回收內(nèi)存。
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，函數(shù)的參數(shù)以及返回值將使用?？臻g，?？臻g由編譯器自動分配和釋放。
C語言目標(biāo)文件的內(nèi)存布局如圖：

代碼段，只讀數(shù)據(jù)段，讀寫數(shù)據(jù)段，未初始化數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)區(qū)域，而堆和棧屬于動態(tài)區(qū)域。代碼段，只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段將在連接之后產(chǎn)生，未初始化數(shù)據(jù)段將在程序初始化的時(shí)候開辟，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)，在編譯連接后形成的映像中，將只包含代碼段，只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段，在程序運(yùn)行之前，將動態(tài)生成未初始化數(shù)據(jù)段，在程序運(yùn)行時(shí)還將動態(tài)形成堆區(qū)域和棧區(qū)域。

一般來說，在靜態(tài)的映像文件中，各個部分稱之為節(jié)（Section），而在運(yùn)行時(shí)的各個部分稱之為段(Segment)，有時(shí)統(tǒng)稱為段。

C語言程序的段

代碼段（code）：代碼段由各個函數(shù)產(chǎn)生，函數(shù)的每一個語句將最終經(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）。
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，因此編譯器會將該數(shù)據(jù)段放入只讀的部分中。C語言中的只讀全局變量，只讀局部變量，程序中使用的常量等會在編譯時(shí)被放入到只讀數(shù)據(jù)區(qū)。注意：定義全局變量const char a[100]={"ABCDEFG"};將生成大小為100個字節(jié)的只讀數(shù)據(jù)區(qū)，并使用“ABCDEFG”初始化。如果定義為：const char a[ ]={"ABCDEFG"};則根據(jù)字符串長度生成8個字節(jié)的只讀數(shù)據(jù)段（還有'\0'），所以在只讀數(shù)據(jù)段中，一般都需要做完全的初始化。
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)，在某些場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，與只讀數(shù)據(jù)段一樣都屬于程序中的靜態(tài)區(qū)域，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，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，如果只定義，沒初始值，則不會生成讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，而會定位為未初始化數(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，這表示只能在文件內(nèi)使用，而不能被其他文件使用。
未初始化數(shù)據(jù)段（BSS）：與讀寫數(shù)據(jù)段類似，它也屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，但是該段中的數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過初始化。因此它只會在目標(biāo)文件中被標(biāo)識，而不會真正稱為目標(biāo)文件中的一段，該段將會在運(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產(chǎn)生，因此它的大小不會影響目標(biāo)文件的大小。
在C語言的程序中，對變量的使用還有以下幾點(diǎn)需要注意：

函數(shù)體中定義的變量通常是在棧上，不需要在程序中進(jìn)行管理，由編繹器處理。
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，程序必須保證在使用free釋放，否則會發(fā)生內(nèi)存泄漏。
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)。
使用const定義的變量將放于程序的只讀數(shù)據(jù)區(qū)。

程序中段的使用

下面用一個簡單的例子來說明C語言中變量和段的對應(yīng)關(guān)系。C語言程序中的全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)），實(shí)際對應(yīng)著下述幾個段：RO Data; RW Data ; BSS Data.一般來說，直接定義的全局變量在未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，如果該變量有初始化則是在已初始化數(shù)據(jù)區(qū)（RW Data），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，占用2個字節(jié)
    char a[100];               //在棧上開辟100個字節(jié)，工的值是其首地址
    char s[ ]="abcdefg";           //s在棧上，占用4個字節(jié)
                         //"abcdefg"本身放置在只讀數(shù)據(jù)存儲區(qū)，占8個字節(jié)
 
    char *p1;                 //p1在棧上，占用4個字節(jié)       
    char *p2="123456";            //p2 在棧上，p2指向的內(nèi)容不能改，
                         //“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)，是在函人部使用的還是可以在整個文件中使用。對于rw_1[] 無論有無static 修飾，其都將被放置在讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，只是能否被其它文件引用與否。對于后者就不一樣了，它是局部靜態(tài)變量，放置在讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，如果沒static修飾，其意義完全改變，它將會是開辟在?？臻g的局部變量，而不是靜態(tài)變量，在這里rw_1[],rw_2[]后沒具體數(shù)值，表示靜態(tài)區(qū)大小同后面字符串長度決定。

對于未初始化數(shù)據(jù)區(qū)BSS_1[100]與BSS_2[100]，其區(qū)別在于前者是全局變量，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。未初始化數(shù)據(jù)段不設(shè)置后面的初始化數(shù)值，因此必須使用數(shù)值指定區(qū)域的大小，編繹器將根據(jù)大小設(shè)置BSS中需要增加的長度。

棧空間主要用于以下3數(shù)據(jù)的存儲：

1. 函數(shù)內(nèi)部的動態(tài)變量
2. 函數(shù)的參數(shù)
3. 函數(shù)的返回值

?？臻g是動態(tài)開辟與回收的。在函數(shù)調(diào)用過程中，如果函數(shù)調(diào)用的層次比較多，所需要的?？臻g也逐漸加大，對于參數(shù)的傳遞和返回值，如果使用較大的結(jié)構(gòu)體，在使用的?？臻g也會比較大。

堆與棧的比較

1.申請方式

　　stack: 由系統(tǒng)自動分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間。

　　heap: 需要程序員自己申請，并指明大小，在C中malloc函數(shù)，C++中是new運(yùn)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本身是在棧中的。

2.申請后系統(tǒng)的響應(yīng)

　　棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。

　　堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請時(shí)，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序。

　　對于大多數(shù)系統(tǒng)，會在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。

　　由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

3.申請大小的限制

　　棧：在Windows下，棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M(也有的說是1M，總之是一個編譯時(shí)就確定的常數(shù))，如果申請的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

　　堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4.申請效率的比較

　　棧由系統(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

　　堆是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，不過用起來最方便。

　　另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內(nèi)存，他不是在堆，也不是棧，而是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一快內(nèi)存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

5.堆和棧中的存儲內(nèi)容

　　棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令(函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句)的地址，然后是函數(shù)的各個參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。

　　當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

　　堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。

6.存取效率的比較

　　char s1[] = "a";

　　char *s2 = "b";

　　a是在運(yùn)行時(shí)刻賦值的;而b是在編譯時(shí)就確定的;但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?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;

　　}

　　對應(yīng)的匯編代碼

　　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

　　第一種在讀取時(shí)直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，再根據(jù)edx讀取字符，顯然慢了。

7.小結(jié)

　　堆和棧的主要區(qū)別由以下幾點(diǎn)：

　　（1）、管理方式不同;

　?。?）、空間大小不同;

　?。?）、能否產(chǎn)生碎片不同;

　?。?）、生長方向不同;

　　（5）、分配方式不同;

　?。?）、分配效率不同;

　　管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制;對于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生memory leak。

　　空間大?。阂话銇碇v在32位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到4G的空間，從這個角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認(rèn)的?？臻g大小是1M。當(dāng)然，這個值可以修改。

　　碎片問題：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題，因?yàn)闂Ｊ窍冗M(jìn)后出的隊(duì)列，他們是如此的一一對應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進(jìn)的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出，詳細(xì)的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向;對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長。

　　分配方式：堆都是動態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態(tài)分配由mallo函數(shù)進(jìn)行分配，但是棧的動態(tài)分配和堆是不同的，他的動態(tài)分配是由編譯器進(jìn)行釋放，無需我們手工實(shí)現(xiàn)。

　　分配效率：棧是機(jī)器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數(shù)庫提供的，它的機(jī)制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫函數(shù)會按照一定的算法(具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/操作系統(tǒng))在堆內(nèi)存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間(可能是由于內(nèi)存碎片太多)，就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間，這樣就有機(jī)會分到足夠大小的內(nèi)存，然后進(jìn)行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

　　從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片;由于沒有專門的系統(tǒng)支持，效率很低;由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，內(nèi)存的申請，代價(jià)變得更加昂貴。所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛的，就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成，函數(shù)調(diào)用過程中的參數(shù)，返回地址， EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

　　雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時(shí)候分配大量的內(nèi)存空間，還是用堆好一些。

　　無論是堆還是棧，都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生(除非你是故意使其越界)，因?yàn)樵浇绲慕Y(jié)果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以想不到的結(jié)果。