C语言程序在内存中的运行情况

内存布局
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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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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如图:

Code
RO data
RW data

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。

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。

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。

C语言程序的段

  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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;
}

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

  1. 函数内部的动态变量
  2. 函数的参数
  3. 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。

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