《轉》C語言程式的記憶體布局

C語言程式的記憶體布局

一：C語言程式的儲存地區

           C語言編寫的程式經過編繹-連結後，將形成一個統一的檔案，它由幾個部分組成，在程式運行時又會產生幾個其他部分，各個部分代表了不同的儲存地區：

1.程式碼片段（Code or Text）：

程式碼片段由程式中的機器碼組成。在C語言中，程式語句進行編譯後，形成機器代碼。在執行程式的過程中，CPU的程式計數器指向程式碼片段的每一條代碼，並由處理器依次運行。

2.唯讀資料區段（RO data）：

           唯讀資料區段是程式使用的一些不會被更改的資料，使用這些數方式類似查表式的操作，由於這些變數不需要更改，因此只需要放置在唯讀記憶體中即可。

3.已初始化讀寫資料區段(RW data)：

           已初始化資料是在程式中聲明，並且具有初值的變數，這些變數需要佔用儲存空間的空間，在程式執行時它們需要位於可讀寫的記憶體地區內，並具有初值，以供程式運行時讀寫。

4.未初始化讀寫資料區段(BSS)：

           未初始化讀寫據是在程式中聲明，但是沒有初始化的變數，這些變數在程式運行之前不需要佔用儲存空間的空間。

5.堆(heap)：

           堆記憶體只在程式運行時出現，一般由程式員分配和釋放。在具有作業系統的情況下，如果程式員沒釋放，作業系統可以在程式結束後回收記憶體。

6.棧(stack)：

棧記憶體只在程式運行時出現，在函數內部使用的變數，函數的參數以及傳回值將使用棧空間，棧空間由編譯器自動分配和釋放。

 

C語言目標檔案的記憶體布局

 

Code

RO data

RW data

 

 

程式碼片段，唯讀資料區段，讀寫資料區段，未初始化資料區段屬於靜態地區，而堆和棧屬於動態地區。程式碼片段，唯讀資料區段和讀寫資料區段將在串連之後產生，未初始化資料區段將在程式初始化的時候開闢，而堆和棧將在程式的運行中分配和釋放。

C語言程式分為映像和運行時兩種狀態，在編譯串連後形成的映像中，將只包含程式碼片段，唯讀資料區段和讀寫資料區段，在程式運行之前，將動態產生未初始化資料區段，在程式運行時還將動態形成堆地區和棧地區。

一般來說，在靜態映像檔案中，各個部分稱之為節（Section）,而在運行時的各個部分稱之為段(Segment)，有時統稱為段。

二：C語言程式的段

1.程式碼片段（code）

程式碼片段由各個函數產生，函數的每一個語句將最終經過編繹和彙編產生二進位機器代碼（具體生生哪種體繫結構的機器代碼由編譯器決定）。

2.唯讀資料區段（RO Data）

唯讀資料區段由程式中所使用的資料產生，該部分資料的特點是在運行中不需要改變，因此編譯器會將該資料區段放入唯讀部分中。C語言中的唯讀全域變數，唯讀局部變數，程式中使用的常量等會在編譯時間被放入到唯讀資料區。注意：

定義全域變數const char a[100]={"ABCDEFG"};將產生大小為100個位元組的唯讀資料區，並使用“ABCDEFG”初始化。如果定義為：const char a[ ]={"ABCDEFG"};則根據字串長度產生8個位元組的唯讀資料區段（還有’\0’），所以在唯讀資料區段中，一般都需要做完全的初始化。

3.  讀寫資料區段（RW Data）

讀寫資料區段表示了在目標檔案中一部分可以讀也可以寫的資料區，在某些場合它們又被稱為已初始化資料區段，這部分資料區段和程式碼片段，與唯讀資料區段一樣都屬於程式中的靜態地區，但具有可寫性的特點。通常已初始化的全域變數和局部靜態變數被放在了讀寫資料區段，如: 在函數中定義static char b[ 100]={“ABCDEFG”};讀寫資料區的特點是必須在程式經過初始化，如果只定義，沒初始值，則不會產生讀寫資料區，而會定位為未初始化資料區（BSS）。

如果全域變數（函數外部定義的變數）加入static修飾，這表示只能在檔案內使用，而不能被其他檔案使用。

4. 未初始化資料區段（BSS）

與讀寫資料區段類似，它也屬於待用資料區，但是該段中的資料沒有經過初始化。因此它只會在目標檔案中被標識，而不會真正稱為目標檔案中的一段，該段將會在運行時產生。未初始化資料區段只在啟動並執行初始化階段才會產生，因此它的大小不會影響目標檔案的大小。

 

 

在C語言的程式中，對變數的使用還有以下幾點需要注意：

1.    函數體中定義的變數通常是在棧上，不需要在程式中進行管理，由編繹器處理。

2.    用malloc,calloc,realloc等分配記憶體的函數所分配的記憶體空間在堆上，程式必須保證在使用free釋放，否則會發生記憶體流失。

3.    所有函數體外定義的是全域變數，加了static後的變數不管是在函數內部或外部都放在全域區。

4.    使用const定義的變數將放於程式的唯讀資料區。

 

三：程式中段的使用

下面用一個簡單的例子來說明C語言中變數和段的對應關係。C語言程式中的全域區（靜態區），實際對應著下述幾個段：RO Data; RW Data ; BSS Data.

一般來說，直接定義的全域變數在未初始化資料區，如果該變數有初始化則是在已初始化資料區（RW Data），加上const則將放在唯讀資料區。

例：const char ro[ ] = {"this is read only data"}; /      /唯讀資料區

static char rw_1[ ] ={"this is global read write data"}; //已初始化讀寫資料區段

char BSS_1[ 100];                                                   //未初始化資料區段

const char *ptrconst ="constant data";                        //字串放在唯讀取資料區段

 

int main()

{

       short b;                                                           //在棧上，佔用2個位元組

       char a[100];                                //在棧上開闢100個位元組，工的值是其首地址

       char s[ ]="abcdefg";             //s在棧上，佔用4個位元組

                                          //“abcdefg”本身放置在唯讀資料存放區區，佔8個位元組

 

       char *p1;                                    //p1在棧上，佔用4個位元組              

       char *p2="123456";                    //p2 在棧上，p2指向的內容不能改，

                                                        //“123456”在唯讀資料區

 

       static char rw_2[ ]={"this is local read write data"};//局部已初始化讀寫資料區段

       static char BSS_2[100];                                    //局部未初始化資料區段

       static int c = 0;                                                        //全域（靜態）初始化區

       p1=(char *)malloc(10 * sizeof(char ) );                     //分配記憶體地區在堆區

       strcpy(p1,"xxxx");                       //“XXXX”放在唯讀資料區，佔5個位元組

       free(p1);                              //使用free釋放p1所指向的記憶體

       return 0;

}

 

  讀寫資料區段包含了憶初始化的全域變數 static char rw_1[ ]以及局部靜態變數static rw_2[ ].其差別在於編繹時，是在函人部使用的還是可以在整個檔案中使用。對於rw_1[] 無論有無static 修飾，其都將被放置在讀寫資料區，只是能否被其它檔案引用與否。對於後者就不一樣了，它是局部靜態變數，放置在讀寫資料區，如果沒static修飾，其意義完全改變，它將會是開闢在棧空間的局部變數，而不是靜態變數，在這裡rw_1[],rw_2[]後沒具體數值，表示靜態區大小同後面字串長度決定。

       對於未初始化資料區BSS_1[100]與BSS_2[100]，其區別在於前者是全域變數，在所有檔案中都可以使用；後者是局部變數，只在函數內部使用。未初始化資料區段不設定後面的初始化數值，因此必須使用數值指定地區的大小，編繹器將根據大小設定BSS中需要增加的長度。

棧空間主要用於以下3資料的儲存：

1.    函數內部的動態變數

2.    函數的參數

3.    函數的傳回值

       棧空間是動態開闢與回收的。在函數調用過程中，如果函數調用的層次比較多，所需要的棧空間也逐漸加大，對於參數的傳遞和傳回值，如果使用較大的結構體，在使用的棧空間也會比較大。