本文详细介绍了C语言中的内存分区，包括栈、堆、全局/静态存储区和文字常量区，并通过Ubuntu和STM32平台的代码示例展示了内存分配情况。在Ubuntu和STM32上，全局变量、局部变量、堆和栈的地址分布规律一致，都是从低地址向高地址增长。实验加深了对内存管理的理解。
目录
一、内存分区简介
1.C语言中的内存分区
可以通过以下代码来直观的了解各个区域的内容
//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;
}
2.全局变量和局部变量
2.1相关定义
| 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 |
2.2两者区别
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
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。
3.堆和栈
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。
堆与栈的区别
1.申请方式
- stack:栈;由系统自动分配，自动开辟空间
- heap:由程序员自己申请并指明大小，c中malloc,c++中new。如p1=(char*)malloc(10);p2=(char*)new(10);但需要注意的是p1,p2本事是在栈中的
2.申请后系统的响应
- 栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出
- 堆：首先操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个大于所申请空间的堆节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节点的空间分配给程序。另外对于大部分系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外由于找到的堆节点大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
3.申请大小的限制
- 栈：在windows下栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。所以栈的栈顶地址和最大容量是系统预先设定好的。在windows下栈的大小是2M.因此能从栈获得的空间比较小。
- 堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是是由于系统用链表来存储空闲内存地址的，所以是不连续的。而链表的遍历方向是由低地址到高地址。堆得大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存大小。相比较而言堆获得的空间比较灵活，也比较大。
4.申请效率的比较
- 栈：由系统自动分配，速度较快，但程序员是无法控制的。
- 堆：由new分配的内存，一般速度比较慢，而且比较容易产生内存碎片，不过用起来最方便。
5.堆和栈中的存储内容
- 栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中的下一条指令（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。在大多数c编译器中，参数是由右往左压栈的，然后是函数中的局部变量。静态变量是不入栈的。当函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，，也就是主函数的下一条指令，程序由该点继续执行。
- 堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆得大小，其他内容自己安排。
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。
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。
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。
二、在 Ubuntu 和 STM32 下输出验证
1、在Ubuntu输出验证
打开Ubuntu在终端中输入以下命令创建工程
gedit test2.c
在文件当中加入以下代码
#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;
}
保存之后，使用命令进行编译执行
gcc test2.c -o test2
./test2
得到的结果如下
- 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.在STM32下进行输出验证
在keil上新建工程，具体工程可以参考基于 stm32 的应用实例 —— USART 串口通讯（stm32 与主机通讯）_ssj925319的博客-优快云博客_stm32串口通信实例
然后在此工程上进行修改
在 bsp_usart.h 文件中添加头文件代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
在 bsp_usart.c 文件中添加putc 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);
}
最后将main函数修改为以下代码
#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;
}
然后编译运行生成HEX文件，将其烧录入芯片当中
打开串口调试助手，打开串口后，需要按一下 RESET 键才会显示出结果，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。
三、总结
在这次实验中让我重新温习了全局变量、局部变量、堆、栈等概念，并且在Ubuntu 和 STM32 的C程序下堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，让我受益良多让我知道了仍需努力学习。
四、参考资料
基于 stm32 的应用实例 —— USART 串口通讯（stm32 与主机通讯）_ssj925319的博客-优快云博客_stm32串口通信实例
C程序在 Ubuntu 和 STM32 中内存分区【全局变量、局部变量、堆、栈】_L-GRAZY的博客-优快云博客
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