基于Ubuntu的嵌入式开发练习（九）对c语言中的相关概念总结及与在stm32中的使用

如有错误，欢迎指正，谢谢！

一、C/C++程序内存的各种变量存储区域和各个区域详解

1.C语言在内存中一共分为如下几个区域，

分别是：

1. 内存栈区： 存放局部变量名；
2. 内存堆区： 存放new或者malloc出来的对象；
3. 常数区： 存放局部变量或者全局变量的值；
4. 静态区： 用于存放全局变量或者静态变量；
5. 代码区：二进制代码。

2.C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1. 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。
2. 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 。注意它与数据结构中的堆是两回事。
3. 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（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）。 - 程序结束后有系统释放
4. 文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放 （RO）
5. 程序代码区—存放函数体的二进制代码。 （RO）

3.一条进程在内存中的映射

假设现在有一个程序，它的函数调用顺序如下：
main(…) ->; func_1(…) ->; func_2(…) ->; func_3(…)，即：主函数main调用函数func_1; 函数func_1调用函数func_2; 函数func_2调用函数func_3。
当一个程序被操作系统调入内存运行, 其对应的进程在内存中的映射如下图所示：

注意：

1. 随着函数调用层数的增加，函数栈帧是一块块地向内存低地址方向延伸的；
2. 随着进程中函数调用层数的减少（即各函数调用的返回），栈帧会一块块地被遗弃而向内存的高址方向回缩；
3. 各函数的栈帧大小随着函数的性质的不同而不等, 由函数的局部变量的数目决定。
4. 未初始化数据区(BSS)：用于存放程序的静态变量，这部分内存都是被初始化为零的；而初始化数据区用于存放可执行文件里的初始化数据。这两个区统称为数据区。
5. ext(代码区)：是个只读区，存放了程序的代码。任何尝试对该区的写操作会导致段违法出错。代码区是被多个运行该可执行文件的进程所共享的。
6. 进程对内存的动态申请是发生在Heap(堆)里的。随着系统动态分配给进程的内存数量的增加，Heap(堆)有可能向高址或低址延伸, 这依赖于不同CPU的实现，但一般来说是向内存的高地址方向增长的。
7. 在未初始化数据区（BSS）或者Stack(栈区)的增长耗尽了系统分配给进程的自由内存的情况下，进程将会被阻塞, 重新被操作系统用更大的内存模块来调度运行。
8. 函数的栈帧：包含了函数的参数(至于被调用函数的参数是放在调用函数的栈帧还是被调用函数栈帧, 则依赖于不同系统的实现)。函数的栈帧中的局部变量以及恢复该函数的主调函数的栈帧(即前一个栈帧)所需要的数据, 包含了主调函数的下一条执行指令的地址。

4.生成的.o文件的段

1. 代码段(.txt)
     .txt段存放代码(如函数)与部分整数常量，.txt段的数据可以被执行
2. 数据段(.data)
     .data用于存放初始化过的全局变量。若全局变量值为0，为了优化编译器会将它放
3. bss段(.bss)
     .bss段被用来存放那些没有初始化或者初始化为0的全局变量。bss段只占运行时的内存空间而不占文件空间。在程序运行的整个周期内，.bss段的数据一直存在
4. 常量数据段(.rodata)
     ro表read only，用于存放不可变修改的常量数据，一旦程序中对其修改将会出现段错误：
     (1) 程序中的常量不一定就放在rodata中，有的立即数和指令编码放在.text中
     (2) 对于字符串常量，若程序中存在重复的字符串，编译器会保证只存在一个
     (3) rodata是在多个进程间共享的
     (4) 有的嵌入式系统，rodata放在ROM(或者NOR FLASH)中，运行时直接读取无需加载至RAM( 哈佛和冯诺依曼，从STM32的const全局变量说起有所记录)
   想要将数据放在.rodata只需要加上const属性修饰即可。
5. 栈
     栈是用于存放临时变量和函数调用的。栈也是一种先进后出的数据结构，函数的递归调用正得益于栈的存在。需注意存在栈的数据只在当前函数和子函数中有效，一旦函数返回数据将会被自动释放。
6. 堆
     堆的使用周期有使用者控制，程序中的内存泄漏多因程序员对堆的管理不当引起，需谨慎。
7. .comment段
     它存放的是编译器版本等信息。除了.comment，还有.note、.hash等其他段，了解即可。

我有查看了我的一个.o文件，结果如下：
可以看出，除以上所列举的段之外，还有.note.GNU-stack和.eh_frame这两个段我看不懂，也没再优快云上找到解释。

二、关键字volatile

volatile 的英文解释是——“易失的，易改变的”。顾名思义，这个关键字的含义是向编译器指明变量的内容可能会由于编译器意想不到的情况的变化而发生变化。

Volatile这个关键字的必要性
在其他程序（例如内核程序或一个中断）修改了内存中该变量的值，此时寄存器R中的值并不会随之改变而更新，由于优化器的作用编译器仍然去利用之前存放在寄存器R中的值，而不去寻址内存中的值（但我们必须改变这个变量的值，不然此时的数据还是向先前的数据，是错误的）。故为了解决这种情况C语言就引入了volatile限定词，让代码在引用该变量时，再去内存中取出该变量的值，虽然会花费更多的时间，但保证了数据的真实性。

Volatile这个关键字的作用
当用volatile关键字修饰变量时，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地去内存重新读取（关键之处）这个变量的值，而不是使用保存在寄存器R里的备份。

Volatile和register的对比
volatile 跟以前的 register 相反。 register 告诉编译器尽量将变量放到寄存器中使用, 而volatile 强制将更改后的值写回内存。如果不写回内存，对于一些全局共享的变量，可能导致不一致问题。

三、STM32 内存分配详解

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。

内存高地址	栈区
↑	堆区
↑	堆区
↑	.bss段
↑	.data段
↑	常量区
内存低地址	代码区

1. 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。
2. 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。
3. 全局区（静态区）
   全局区有.bss段和.data段组成，可读可写。
4. 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。
5. 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。
6. 常量区
   字符串存放在常量区。
   常量区的内容不可以被修改。
7. 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。

参考资料：

1. C/C++程序内存的各种变量存储区域和各个区域详解
2. C语言中关键字volatile追根问底