[C语言]程序在内存中的运行情况

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

以IAR生成的map文件为例
内存地址0x2000000 ---> 0x2001FFFF
.data .bss stack heap

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。

映像和运行

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。

C语言程序的段

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。

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;
}

读写数据段包含了已初始化的全局变量static char rw_1[ ] 以及局部静态变量static rw_2[ ].
其差别在于编绎时，是在函数内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：

函数内部的动态变量
函数的参数
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。

posted on 2014-12-08 20:57 kdurant 阅读(863) 评论(0) 编辑收藏举报

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