本文探讨了在Ubuntu和STM32嵌入式系统中，C程序如何划分内存区域，包括栈、堆、全局变量和局部变量的分配。通过实例展示了如何在两种环境中验证这些概念，并对比分析它们的地址分布。
文章内容：
- 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。
目录
1 内存分区介绍
1.1 程序在内存中的分区
| 区域 | 存放内容 | 特点 |
|---|---|---|
| 栈区 (stack) | 局部变量值、返回值、参数 | 由编译器自动分配释放，具有 “后进先出” 的内存结构 |
| 堆区 (heap) | 程序运行中动态分配内存的数据 | 堆在内存中位于 BSS 区和栈区之间，一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收 |
| 全局区（静态区）（static） | 全局变量 / 静态变量 | 初始化的全局变量和静态变量在一块区域（RW），未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域（ZI），程序结束后由系统释放 |
| 常量区 | 全局变量 / 局部变量的值 | 常量字符串也是放在这里的，退出程序由系统自动释放 |
| 代码区 | 二进制代码 | 存放函数体的二进制代码 |
内存存放顺序 (由上到下) : 栈区 -> 堆区 -> 全局区 -> 常量区 -> 代码区
可以结合下面的代码帮助理解各个区域的内容
//main.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string.h>
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
int main(void)
{
int b; //栈
char s[] = "abc"; //"abc"在常量区，s在栈上。
char *p2; //栈
char *p3 = (char*)"123456"; //123456\0;在常量区，p3在栈上。
static int c = 0; //全局（静态）初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); //分配得来的 10 和 20 字节的区域就在堆区。
strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与 p3 所指向的"123456"优化成一个地方。
delete p1, p2;
return 0;
}
1.2 全局变量与局部变量
1.2.1 定义
| 变量 | 作用 |
|---|---|
| 全局变量（Global Variable） | 所有的函数外部定义的变量，它的作用域是整个程序，也就是所有的源文件，包括 .c 和 .h 文件 |
| 局部变量（Local Variable） | 定义在函数体内部的变量，作用域仅限于函数体内部。离开函数体就会无效，再调用就是出错 |
1.2.2 区别
全局变量与局部变量的区别在于：
- 作用域的不同
- 内存上的不同
- 存在时间（生命期）不同
- 使用方式不同
具体区别内容如下：
| 全局变量 | 局部变量 | |
|---|---|---|
| 作用域 | 整个程序 | 当前函数或循环等 |
| 内存存储方式 | 保存在内存的全局存储区中，占用静态的存储单元中 | 保存在栈中，只有在所在函数被调用时才动态地为变量分配存储单元 |
| 生命期 | 生命期和主程序一样，随程序的销毁而销毁 | 在函数内部或循环内部，随函数的退出或循环退出就不存在了 |
| 使用方式 | 在声明后程序的各个部分都可以用到，函数内部会优先使用局部变量再使用全局变量 | 只能在局部使用 |
注意：
- 在 main 函数中定义的变量也是局部变量，只能在 main 函数中使用；同时，main 函数中也不能使用其它函数中定义的变量。main 函数也是一个函数，与其它函数地位平等。
- 形参变量、在函数体内定义的变量都是局部变量。实参给形参传值的过程也就是给局部变量赋值的过程。
- 可以在不同的函数中使用相同的变量名，它们表示不同的数据，分配不同的内存，互不干扰，也不会发生混淆。
全局变量与局部变量的详细讲解可以参看博客：C语言全局变量和局部变量（带实例讲解）
1.3 堆与栈
1.3.1 堆与栈的内存空间
堆和栈都是动态分配内存，两者空间大小都是可变的。
- 堆（Heap）
自由申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存 / 虚拟内存上限决定，速度较慢，但自由性大，可用空间大。 - 栈（Stack）
存放 Automatic Variables ，按内存地址由高到低方向生长，其最大值由编译时确定，速度快，但自由性差，最大空间不大。
总结：
堆(Heap)往高地址方向生长（向高地址扩展）
栈(Stack)往低地址方向生长（向低地址扩展）
1.3.2 堆与栈的区别
-
堆与栈的申请方式
- 堆：由系统自动分配。
- 栈：需要程序员自己申请，并指明大小。
-
堆与栈的申请效率
- 栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
- 堆：是由 new 分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来最方便。
-
堆和栈的大小
- 堆：堆获得的空间比较灵活，也比较大。
- 栈：2M 或 1M，是一个编译时就确定的常数，能从栈获得的空间较小。
-
堆和栈中的存储内容
- 栈：局部变量，在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数。
- 堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。
1.4 STM32 的内存分配
在一个 STM32 程序代码中，从内存高地址到内存低地址，依次分布着栈区、堆区、全局区（静态区）、常量区、代码区，其中全局区中高地址分布着 .bss 段，低地址分布着 .data 段。
1.4.1 STM32 中的内存分配详解
- 内存高地址
- 栈区（stack）：
临时创建的局部变量存放在栈区。
函数调用时，其入口参数存放在栈区。
函数返回时，其返回值存放在栈区。
const定义的局部变量存放在栈区。 - 堆区（heap）：
堆区用于存放程序运行中被动态分布的内存段，可增可减。
可以有 malloc 等函数实现动态分布内存。
有 malloc 函数分布的内存，必须用 free 进行内存释放，否则会造成内存泄漏。 - 全局区（静态区）
全局区有 .bss 段和 .data 段组成，可读可写。
① .bss段
未初始化的全局变量存放在 .bss 段。
初始化为 0 的全局变量和初始化为0的静态变量存放在 .bss 段。
.bss 段不占用可执行文件空间，其内容有操作系统初始化。
② .data 段
已经初始化的全局变量存放在 .data 段。
静态变量存放在 .data 段。
.data 段占用可执行文件空间，其内容有程序初始化。
const 定义的全局变量存放在 .rodata 段。 - 常量区
字符串存放在常量区。
常量区的内容不可以被修改。
- 栈区（stack）：
- 内存低地址
- 代码区
程序执行代码存放在代码区。
字符串常量也有可能存放在代码区。
- 代码区
一个程序本质上都是由 bss 段、data 段、text 段三个组成，可以结合下面的程序帮助理解各个数据的存储位置
#include <stdio.h>
static unsigned int val1 = 1; //val1存放在.data段
unsigned int val2 = 1; //初始化的全局变量存放在.data段
unsigned int val3 ; //未初始化的全局变量存放在.bss段
const unsigned int val4 = 1; //val4存放在.rodata（只读数据段）
unsigned char Demo(unsigned int num) // num 存放在栈区
{
char var = "123456"; // var存放在栈区，"123456"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 = Demo(num); //Demo()函数的返回值存放在栈区。
}
1.4.2 STM32 中的内存管理
STM32 的存储器结构中包括 RAM 随机存取存储器、ROM 只读存储器和 Flash Memory。
- RAM（随机存取存储器），存储的内容可通过指令随机读写访问。RAM 中的存储的数据在掉电是会丢失，因而只能在开机运行时存储数据。其中 RAM 又可以分为两种，一种是 Dynamic RAM（DRAM，动态随机存储器），另一种是 Static RAM（SRAM，静态随机存储器）。
- ROM（只读存储器），只能从里面读出数据而不能任意写入数据。ROM 与 RAM 相比,具有读写速度慢的缺点。但由于其具有掉电后数据可保持不变的优点，因此常用也存放一次性写入的程序和数据，比如主版的 BIOS 程序的芯片就是 ROM 存储器。
- Flash Memory ，由于 ROM 具有不易更改的特性，后面就发展了 Flash Memory。Flash Memory 不仅具有 ROM 掉电不丢失数据的特点，又可以在需要的时候对数据进行更改，不过价格比 ROM 要高。
通过 Keil 的 Build Output 窗口进行实际分析：
C 语言上分为：栈、堆、bss、data、code 段。
MDK 下分为：Code、RO-data、RW-data、ZI-data 这几个段；
- 其中，Code 是存储程序代码的；
RO-data 是存储 const 常量和指令；
RW-data 是存储初始化值不为 0 的全局变量；
ZI-data 是存储未初始化的全局变量或初始化值为 0 的全局变量。
1.4.3 STM32 中的堆与栈
- 单片机是一种集成电路芯片，集成 CPU、RAM、ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能。CPU 中包括了各种总线电路，计算电路，逻辑电路，还有各种寄存器。
Stm32 有通用寄存器 R0‐R15 以及一些特殊功能寄存器，其中包括了堆栈指针寄存器。
当 stm32 正常运行程序的时候，来了一个中断，CPU 就需要将寄存器中的值压栈到 RAM 里，然后将数据所在的地址存放在堆栈寄存器中。
等中断处理完成退出时，再将数据出栈到之前的寄存器中，这个在 C 语言里是自动完成的。 - 在 stm32 的启动文件 .s 文件里面，就有堆栈的设置，其实这个堆栈的内存占用就是在上面 RAM 分配给 RW-data+ZI-data 之后的地址开始分配的。
堆栈的大小在编译器编译之后是不知道的，只有运行的时候才知道，所以需要注意一点，就是别造成堆栈溢出了，会出现 hardfault 问题。
2 Ubuntu 和 STM32 地址下输出验证实例
2.1 Ubuntu 下的输出验证
- 打开 Ubuntu 创建在终端中使用下面的命令创建工程
gedit test.c
- 在新建的 test.c 文件里复制下面代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{
printf("hello");
printf("%d",a);
printf("\n");
}
int main( )
{
//定义局部变量
int a=2;
static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
int init_local_d = 1;
output(a);
char *p;
char str[10] = "lyy";
//定义常量字符串
char *var1 = "1234567890";
char *var2 = "qwertyuiop";
//动态分配
int *p1=malloc(4);
int *p2=malloc(4);
//释放
free(p1);
free(p2);
printf("栈区-变量地址\n");
printf(" a：%p\n", &a);
printf(" init_local_d：%p\n", &init_local_d);
printf(" p：%p\n", &p);
printf(" str：%p\n", str);
printf("\n堆区-动态申请地址\n");
printf(" %p\n", p1);
printf(" %p\n", p2);
printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
printf("\n.bss段\n");
printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
printf("\n.data段\n");
printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
printf("\n文字常量区\n");
printf("文字常量地址 ：%p\n",var1);
printf("文字常量地址 ：%p\n",var2);
printf("\n代码区\n");
printf("程序区地址 ：%p\n",&main);
printf("函数地址 ：%p\n",&output);
return 0;
}
- 保存并退出文件 test.c 文件
- 使用下面的命令编译执行 test.c
gcc test.c -o test
./test
- Ubuntu 下的输出结果如下：
- 可以看出，Ubuntu 在栈区和堆区的地址值都是从低地址到高地址逐步增大。
2.2 STM32 地址下的输出验证实例
- 在 keil 上新建工程，可以参考我的另一篇博客：STM32 的 USART 串口中断通讯—输出 hello windows(实现 STM32 与主机的通讯)，在博客里面的工程的基础上进行修改。
- 在 bsp_usart.h 文件中添加头文件代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
- 在 bsp_usart.c 文件中重写 fputc 函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t)ch);
while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
return (ch);
}
- main.c 文件修改为下面的代码：
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h" //添加 bsp_usart.h 头文件
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{
printf("hello");
printf("%d",a);
printf("\n");
}
int main(void)
{
//定义局部变量
int a=2;
static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
int init_local_d = 1;
char *p;
char str[10] = "lyy";
//定义常量字符串
char *var1 = "1234567890";
char *var2 = "qwertyuiop";
//动态分配
int *p1=malloc(4);
int *p2=malloc(4);
USART_Config();//串口初始化
output(a);
//释放
free(p1);
free(p2);
printf("栈区-变量地址\n");
printf(" a：%p\n", &a);
printf(" init_local_d：%p\n", &init_local_d);
printf(" p：%p\n", &p);
printf(" str：%p\n", str);
printf("\n堆区-动态申请地址\n");
printf(" %p\n", p1);
printf(" %p\n", p2);
printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
printf("\n.bss段\n");
printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
printf("\n.data段\n");
printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
printf("\n文字常量区\n");
printf("文字常量地址 ：%p\n",var1);
printf("文字常量地址 ：%p\n",var2);
printf("\n代码区\n");
printf("程序区地址 ：%p\n",&main);
printf("函数地址 ：%p\n",&output);
return 0;
}
- 编译运行结果：
- 编译成功，烧录进芯片
- 打开串口调试助手，打开串口后，按一下 RESET 键，显示结果如下：
- 可以看出，STM32 在栈区和堆区的地址值都是从低地址到高地址逐步增大。与Ubuntu在栈区和堆区的地址值变化一样。
3 总结
本文对程序内存分区进行了简单分析，并且通过在 Ubuntu 和 STM32 上分别应用 C 程序对程序内存分区再次验证。对 C 程序中的堆、栈、全局、局部等变量的分配地址进行了了解和归纳，当然还是需要继续深入学习和理解。
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