利用STM2与Ubuntu验证C内存分配问题

利用STM2与Ubuntu验证C内存分配问题

编写一个C程序，重温全局变量、局部变量、堆、栈等概念，在Ubuntu(x86)系统和STM32(Keil)中分别进行编程、验证（STM32 通过串口printf 信息到上位机串口助手) 。
归纳出Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，进行对比分析。

一、全局变量和局部变量

全局变量
在所有函数外部定义的变量称为全局变量（Global Variable），它的作用域默认是整个程序，也就是所有的源文件。

局部变量
定义在函数内部的变量称为局部变量（Local Variable），它的作用域仅限于函数内部， 离开该函数其定义将被无视，在函数外使用将会报错。

两者之间的区别

作用域：

• 全局变量：全局变量在程序的任何地方都可以被访问，即其作用域为整个程序。它们通常在程序顶部定义，在整个程序执行期间都存在。
• 局部变量：局部变量只能在其所在的特定范围内被访问。例如，在函数内部定义的局部变量只能在该函数中使用，它们的作用域仅限于函数内部。

可访问性：

• 全局变量：全局变量在整个程序中都可以被访问，包括在函数内部。函数可以直接访问全局变量，无需任何额外声明。
• 局部变量：局部变量只能在其定义的作用域内被访问。其他函数或全局作用域无法直接访问局部变量。

生命周期：

• 全局变量：全局变量在程序开始执行时创建，直到程序结束才会被销毁。它们的生命周期与整个程序的执行周期相同。
• 局部变量：局部变量在其所在的作用域被创建时分配内存，并在作用域结束时自动销毁。每当函数执行时，局部变量都会被创建和销毁。

冲突风险：

• 全局变量：由于全局变量的可访问性较高，可能会被多个函数同时访问和修改。这可能导致变量的非预期更改和值冲突。
• 局部变量：局部变量只在其定义的作用域内有效，不会与其他函数或全局变量发生冲突。这增加了代码的可维护性和可靠性。

内存位置

• 全局变量在C中的内存位置为堆区，而局部变量位于栈区

二、C内存分配简单介绍

2.1 STM2中的堆栈区

在STM32微控制器中，堆栈区是用来存储程序执行期间的变量、函数调用信息和局部数据的一块内存区域。它位于RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）区域中。

堆栈区的主要作用是跟踪函数的调用和返回过程，并存储函数的局部变量。当程序执行函数调用时，会将当前函数的返回地址、局部变量和其他相关信息压入堆栈中。函数执行完毕后，这些数据将会从堆栈中弹出，恢复到调用函数的状态。

在STM32微控制器中，堆栈区的大小和位置由编译器和链接器决定，并且可以通过调整相关配置参数来进行调整。堆栈区的大小应根据程序的需求进行合理的设置，以防止堆栈溢出和内存错误。

2.2 程序的内存分配

• 栈区（stack）

  由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

• 堆区（heap）

  一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。它与数据结构中的堆不同，分配方式类似于链表。

• 全局区（静态区）（static）

  全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量、未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。当程序结束后，变量由系统释放 。

• 文字常量区

  存放常量字符串。当程序结束后，常量字符串由系统释放 。

• 程序代码区

  存放函数体的二进制代码。

以下程序可以更加清晰地说明C程序的详细地址分配

#include <stdio.h>
 
static unsigned int a1 = 1; //a1存放在.data段
 
unsigned int a2 = 1; //初始化的全局变量a2存放在.data段
 
unsigned int a3 ; //未初始化的全局变量a3存放在.bss段
 
const unsigned int a4 = 1;  //a4存放在.rodata（只读数据段）
 
 
unsigned char function(unsigned int num) // num 存放在栈区
{
   
	char var = "helloworld!";    // var存放在栈区，"helloworld!"存放在常量区
	
	unsigned int num1 = 1 ; // num1存放在栈区
	
	static unsigned int num2 = 0; // num2存放在.data段
 
    const unsigned int num3 = 7;  //num3存放在栈区
 
	void *p;
	
	p = malloc(8); //p存放在堆区
	
	free(p);
 
    return 1;
}
 
void main()
{
   
	unsigned int num = 0 ;
	num = function(num); //Demo()函数的返回值存放在栈区。
}

存储器分为RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）和FLash Memory（STM32中的ROM）。由前面的分析我们知道，代码区和常量区的内容是不允许被修改的，ROM（STM32就是Flash Memory）也是不允许被修改的，所以代码区和常量区的内容编译后存储在ROM，栈、堆、全局区（.bss段、.data段）都是存放在RAM中。

二、利用程序进行验证

2.1 验证程序代码

#include <stdio.h>
#