C程式記憶體管理

標籤：記憶體管理   c   

C程式的記憶體管理

熟悉Java語言的肯定知道，Java中記憶體管理是由虛擬機器協助我們完成的，在C/C++中可不是這樣，程式員需要自己去分配和回收記憶體空間。本文記錄了C程式在記憶體中儲存結構、C變數和函數常見的儲存類型、分配和回收記憶體等方面的內容。以下C程式所使用的編譯器版本是GCC 4.4.7。

從一個C程式說起

檔案的結構

對於以下這段Hello.c程式再熟悉不過了

#include<stdio.h>int main(void){        printf("Hello World\n");        return 0;}

下面使用gcc編譯它，然後運行可執行檔，再查看可執行檔的儲存結構

可以看出，可執行檔Hello在儲存時（沒有調入記憶體時）分為代碼區（text），資料區（data）和未初始化資料區（bss）3個部分。另外3個欄位中，dec表示十進位總和，hex表示十六進位總和，filename表示檔案名稱。各段的具體說明如下：

（1）程式碼片段（text segment）：存放CPU執行的機器指令。通常代碼區是可以共用的（即另外的執行程式可以調用它）。代碼區通常是唯讀，以防止程式意外的修改它的指令。常量資料在編譯時間在代碼區分配記憶體。代碼區的指令包括作業碼和操作對象（或對象的地址引用）。如果是立即數，就直接包含在代碼中；如果是局部資料，將在運行時的棧空間中分配，然後在引用該資料的地址；如果是bss區和資料區，在代碼中同樣是引用該資料的地址。

（2）全域初始化資料區/待用資料區（initialized data segment/data segment），或者簡稱資料區段：該地區包含了在程式中明確被初始化的全域變數，已經初始化的靜態變數（包括全域靜態變數和局部靜態變數）。需要注意的是，被const聲明的變數和字串常量在程式碼片段中分配記憶體。這和組合語言中的資料區段的概念是類似的。

（3）未初始化資料區bss（Block Started By Symbol）：儲存的是未初始化的全域變數和未初始化的靜態變數。bss地區的資料在程式執行前會被核心初始化為0或者null 指標（NULL），這和棧中的變數是不同的，棧中的變數（局部變數）如果沒有初始化就使用，系統會隨機分配一個值給它，這是不安全的。

上述這些都是可執行檔的儲存結構分析，其實運行時的記憶體結構和這個十分類似，只不過多了堆記憶體和棧記憶體地區，在後面會分析到。下面通過幾個例子驗證之。

還是以Hello.c程式為例

我們在Hello.c中增加了一句代碼，定義一個常量i，通過分析比較，可以發現程式碼片段text區大小增加了4個位元組（一個int類型佔4個位元組），其他地區不變，可知常量是分配在程式碼片段的。

在上述的基礎上，在添加一句，定義一個全域變數a，並給它賦值為2，觀察各地區變化

通過比較發現，只有資料區段的大小增加了4個位元組，也證明了明確被初始化的全域變數是被分配在資料區的。靜態變數也是一樣，可自行證之。

在上述的基礎上，我們在定義一個全域變數b，但是這一個不要賦值，觀察各地區變化

可以發現，這一次只有bss地區增加4個位元組，也證明了未初始化的全域變數是分配在bss地區的。未初始化的靜態變數同理，可自行證之。

進程的結構

一個程式執行的時候就表現為一個或者多個進程，其實進程核心的資料結構和上述檔案的儲存結構很相似，主要是多了堆記憶體和棧記憶體地區。主要的布局如所示

各部分說明如下：

（1）代碼區（text segment）：載入的是上述可執行檔的程式碼片段，其載入到記憶體中的位置由載入器完成。

（2）全域初始化資料區/待用資料區（Data Segment）：載入的是上述可執行檔的資料區段，位置位於可執行程式碼片段後面，可以是不相連的。在程式運行之初就為資料區段申請了空間，程式退出的時候釋放空間，其生命週期是整個程式的運行時期。

（3）未初始化資料區（BSS）：載入的是上述可執行檔的BSS段，位置在資料區段之後，可以不相連。其生命週期和資料區段一樣。

（4）棧區（Stack）：由編譯器自動分配釋放，存放函數的參數值、返回值、局部變數等。在程式運行過程中動態分配和釋放，棧區位於BSS後，是向上有限擴充的。

（5）堆區（Heap）：用於動態記憶體分配。位於棧區的後面，是向下有限擴充的。一般由程式員進行分配和釋放，若不釋放，在程式結束的時候，由OS負責回收。

（未完待續）

C程式記憶體管理