C语言内存分布

典型的C语言程序内存表示分区共有5个部分：

1. 正文段 Text segment
2. 已初始化数据段（数据段）Initialized data segment
3. 未初始化数据段（bss）Uninitialized data segment
4. 堆 Stack
5. 栈 Heap

具体分布图

各个分区的作用

• 正文段
  • CPU执行的机器指令部分
  • 通常可共享
  • 常常是只读的
• 已初始化数据段（数据段）
  • 包含程序中需明确赋初始值的变量
  • 保存已经初始化的全局变量
• 未初始化数据段（BSS）
  • 在程序开始执行之前，内核将此段中的数据初始化为0或空指针
  • 保存未初始化的全局变量（注意：即使是赋值为0也是未初始化！）
• 栈
  • 存储自动变量及每次函数调用所需保存的信息
  • 每次函数调用时，存放其返回地址及调用者的环境信息（如某些机器寄存器的值）
  • 为最近被调用的函数分配自动变量和临时变量的存储空间
• 堆
  • 动态存储分配

初始化？

上面提到，对全局变量来说，如果是赋值为0仍是未初始化。下面给出实际实验结果：

示例代码1

#include <stdio.h>

int a;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

示例代码2

#include <stdio.h>

int a = 0;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

可以看到，各个存储区域数值没有变化。

示例代码3

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

可以看到，对全局变量进行真正的初始化之后，bss少了4个字节，data段多出了4个字节。

关于static的问题

示例代码4

先看看相对上一例子，多了一个局部变量之后的内存分布。

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int b;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

可以看到，内存分布是没有变化的，局部变量b会在栈上分配到内存。

示例代码5

如果把b定义成static呢？

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    static int b;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

可以看到，此时bss上多出了8个字节。

示例代码6

如果给b赋初始值0呢？

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    static int b = 0;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

可以看到，跟上一个例子相比没有变化，说明跟全局变量一样，static变量赋值为0仍是未初始化。

示例代码7

如果给b赋初始值1呢？

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    static int b = 1;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

编译后查看内存分布：

可以看到，bss少了4个字节，而data多了4个字节，说明静态变量和全局变量同理，初始化之后是存在data段中的。

关于static的用处

示例代码8

#include <stdio.h>

int x = 4;

void incre() {
    static int x = 1;
    x *= x + 1;
    printf("%d\n", x);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int i;
    for (i = 1; i < x; i++) {
        incre();
    }
    return 0;
}

运行结果为：

可以看到，函数incre中x的作用域存在于其局部，但是却在每次调用函数的时候沿用之前的值！这是因为static定义的变量是静态变量，有着静态存储位置（变量存储位置固定不动，若在代码中已经初始化则存在于data段，否则存在于bss段），而不是存在于栈上，因此每次调用函数读取到的变量的值都是静态存储区的值。

static的意义：

1. 全局静态变量
   • 不会被其它文件所访问和修改
   • 其它文件中可以使用相同名字的变量，不会发生冲突
2. 局部静态变量
   • 可以用作计数器，每次函数调用的时候可以进行计数
3. 静态函数
   • 其它文件中可以定义相同名字的函数，不会发生冲突
   • 静态函数不能被其它文件所用
   • 静态函数会被分配在一个一直使用的存储器，直到程序退出，避免了调用函数时进栈出栈，提升运行速度

参考书目

1. Unix环境高级编程（中文第三版）
2. C primer plus（中文第五版）

参考博客

C语言存储空间布局以及static详解——奔人之旅