C语言数据存储区

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C语言数据存储主要涉及栈、堆和静态存储区。栈用于函数调用，保存参数、局部变量和返回地址；堆提供动态内存分配，适用于需要在函数外部保留的数据；静态存储区存放全局变量和静态局部变量，其生命周期贯穿程序始终。函数调用过程中，栈通过ebp和esp指针管理，避免野指针错误。堆管理通过malloc和free函数，不同系统采用不同管理策略。

C语言数据存储区主要分为栈、堆、静态存储区三个。

1.程序中的栈

栈在程序中用于维护函数调用上下文，且函数中的参数和局部变量存储在栈上。可以这么认为，没了栈的话，程序几乎无法运行，这里的栈和数据结构里的栈是一个概念，但表现形式不一样。栈遵循后进先出原则，栈是一种后进先出的行为。

补充一下
（1）ebp是当前函数的存取指针，即存储或者读取数时的指针基地址。
（2）esp是当前函数的栈顶指针。
每一次发生函数的调用（主函数调用子函数）时，在被调用函数初始时，都会把当前函数（主函数main）的EBP压栈，以便从子函数返回到主函数时能够获取EBP。ESP就是一直指向栈顶的指针,而EBP仅仅是存取某时刻的栈顶指针,以方便对栈的操作,如获取函数參数、局部变量等。

将内存看成是一个栈：
在这里插入图片描述

为什么说函数调用的时候，少不了栈呢？
这是因为，在调用函数的时候，需要去维护一个活动记录，如下图所示，栈保存了一个函数调用所需的维护信息，包括了参数，返回地址，局部变量，调用上下文等，其他数据信息指的是临时变量等。

在这里插入图片描述

函数调用过程

每次函数调用都对应着一个栈上的活动记录，调用函数的活动记录位于栈的中部，被调函数的活动记录位于栈的顶部。
在这里插入图片描述
如上图，main函数中调用其他函数，先要将main函数压栈，再调用函数f，函数f里有函数g，那么函数f也被压栈，栈顶指针指向的为函数g。

函数调用的栈变化1
从main函数开始运行，栈就有了main函数的活动记录
在这里插入图片描述
函数调用的栈变化2
main函数调用函数f，在栈上又建立了函数f的活动记录。
栈顶指针发生了移动，函数f活动记录中的返回地址其实就是没调用函数f前main函数栈顶指针的地址，old ebp保存的是上一次ebp指针保存的位置。
新老活动记录通过ebp指针来关联，ebp指针向上读四个字节，就读取到了栈顶指针需要返回的地址，所以说ebp指针的作用就是进行函数调用的返回。
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函数调用的栈变化3
当从函数f返回主函数main
就通过ebp指针获取返回地址给栈顶指针，栈顶指针就指向了之前的位置，然后可以继续执行下一次的函数调用。

在这里插入图片描述
到这里我们可以发现到，栈空间里的数据，不会由于函数的返回而立即改变，函数返回仅仅是修改了ebp指针和esp指针的地址值，并没有去改变栈空间里面的数据，所以我们千万不要返回函数内部的局部变量的地址，也不要返回局部数组，这是因为栈空间里面的数据不会由于函数的返回而改变。如果我们在返回main函数之后，又调用了其他的函数，那么之前保存的函数f的活动记录就会被另一个函数使用了，这一部分内容就会发生变化。所以返回一个局部变量地址或者局部数组是没有意义的，因为已经不存在了，这样就会造成野指针的错误，而造成程序运行的崩溃。

函数调用栈上的数据
函数调用时，对应的栈空间在函数返回前是专用的；
函数调用结束后，栈空间将被释放，数据不再有效。
在这里插入图片描述

程序来说明

#include <stdio.h>

int* g()
{
    int a[10] = {0};
    
    return a;
}

void f()
{
	int i = 0;
	int b[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    int* pointer = g();
	
	for(i = 0;i<10;i++)
	{
		b[i]  =pointer[i];
	}
	for(i = 0;i<10;i++)
	{
		printf("%d\r\n",b[i]);
	}
}

int main()
{
    f();
    
    return 0;
}

编译运行，结果却是发生了段错误。注意给出的告警信息，就是那里出了问题，返回了局部变量的地址。函数f还调用了printf打印函数，把函数g的活动记录给清除了，原来的那些数组就被销毁了，没有意义了，这就是所谓的野指针。
在这里插入图片描述
为什么有了栈还需要堆?

如果我们确实需要一块空间来完成程序，例如在数据结构中采用空间换时间，提高效率那么就需要开辟一段新空间。
栈上的数据在函数返回后就会被释放掉，无法传递到函数外部，如∶局部数组

2.程序中的堆

概念：堆是程序中一块预留的内存空间，可由程序自由使用，堆中被程序申请使用的内存在被主动释放前将一直有效。C语言程序中通过库函数的调用获得堆空间

头文件:malloc.h
malloc :以字节的方式动态申请堆空间
free :将堆空间归还给系统

不同的系统西面，对堆的管理方式是不一样的，系统对堆空间的管理方式主要有三种：空闲链表法，位图法，对象池法等等。

以空闲链表法为例，C语言以高效原则来设计，向堆区申请内存的时候也要高效，系统就会将堆空间组织成一个链表，方框表示的是每个节点的内存空间的大小，例如我们要申请4字节的内存，而5字节内存的节点被申请完了，那么就会到最近的12字节节点来申请内存空间。
在这里插入图片描述

3.程序中的静态存储区

静态存储区随着程序的运行而分配空间
静态存储区的生命周期直到程序运行结束
在程序的编译期静态存储区的大小就已经确定
静态存储区主要用于保存全局变量和静态局部变量
静态存储区的信息最终会保存到可执行程序中

静态存储区的验证：

#include <stdio.h>

int g_v = 1;

static int g_vs  = 2;

void f()
{
    static int g_vl = 3;
    
    printf("%p\n", &g_vl);
}

int main()
{
    printf("%p\n", &g_v);
    
    printf("%p\n", &g_vs);
    
    f();
    
    return 0;
}