C语言程序的内存布局

C语言程序的内存布局

章介绍C语言程序的内存布局结构，包括连接过程中目标程序各个段的组成和运行过程中各个段加载的情况。

在本章的学习中，读者应重点关注以下内容：

C语言程序在内存中各个段的组成

C语言程序连接过程中的特性和常见错误

C语言程序的运行方式

13.1  C语言程序的存储区域

由C语言代码（文本文件）形成可执行程序（二进制文件），需要经过编译-汇编-连接三个阶段。编译过程把C语言文本文件生成汇编程序，汇编过程把汇编程序形成二进制机器代码，连接过程则将各个源文件生成的二进制机器代码文件组合成一个文件。

C语言编写的程序经过编译-连接后，将形成一个统一文件，它由几个部分组成。在程序运行时又会产生其他几个部分，各个部分代表了不同的存储区域：

1．代码段（Code或Text）

代码段由程序中执行的机器代码组成。在C语言中，程序语句进行编译后，形成机器代码。在执行程序的过程中，CPU的程序计数器指向代码段的每一条机器代码，并由处理器依次运行。

2．只读数据段（RO data）

只读数据段是程序使用的一些不会被更改的数据，使用这些数据的方式类似查表式的操作，由于这些变量不需要更改，因此只需要放置在只读存储器中即可。

3．已初始化读写数据段（RW data）

已初始化数据是在程序中声明，并且具有初值的变量，这些变量需要占用存储器的空间，在程序执行时它们需要位于可读写的内存区域内，并具有初值，以供程序运行时读写。

4．未初始化数据段（BSS）

未初始化数据是在程序中声明，但是没有初始化的变量，这些变量在程序运行之前不需要占用存储器的空间。

5．堆（heap）

堆内存只在程序运行时出现，一般由程序员分配和释放。在具有操作系统的情况下，如果程序没有释放，操作系统可能在程序（例如一个进程）结束后回收内存。

6．栈（stack）

栈内存只在程序运行时出现，在函数内部使用的变量、函数的参数以及返回值将使用栈空间，栈空间由编译器自动分配和释放。

C语言目标文件的内存布局如图13-1所示。

              图13-1  C语言目标文件的内存布局

 

代码段、只读数据段、读写数据段、未初始化数据段属于静态区域，而堆和栈属于动态区域。代码段、只读数据段和读写数据段将在连接之后产生，未初始化数据段将在程序初始化的时候开辟，而堆和栈将在程序的运行中分配和释放。

C语言程序分为映像和运行时两种状态。在编译-连接后形成的映像中，将只包含代码段（Text）、只读数据段（RO Data）和读写数据段（RW Data）。在程序运行之前，将动态生成未初始化数据段（BSS），在程序的运行时还将动态形成堆（Heap）区域和栈（Stack）区域。

一般来说，在静态的映像文件中，各个部分称之为节（Section），而在运行时的各个部分称之为段（Segment）。如果不详细区分，可以统称为段。

知识点：C语言在编译和连接后，将生成代码段（Text）、只读数据段（RO Data）和读写数据段（RW Data）。在运行时，除了以上三个区域外，还包括未初始化数据段（BSS）区域和堆（Heap）区域和栈（Stack）区域。

 

 

（1）静态存储：静态分配是一种最简单、最原始，同时也是一种最安全的分配方式，采用这种方式分配的变量，在程序进行编译的时候，就获得了一个唯一而且不变的存储空间，就好比是“从单位分到了房子”。正是因为这种分房子的策略，程序在编译的时候，“变量总共需要多少空间”，“现有的空间够不够”，“变量应该放在什么地方”，这些问题的答案从一开始就是明确的。一旦出现空间不足的情况，编译器会立即向我们报告。C语言中，所以得全局变量和静态的局部变量采用的都是静态分配的。

（2）栈式分配。利用栈后入先出的特点，栈式分配主要被用于局部变量的空间分配。这种好比“出租房”的分配策略，能在最大程度上提高存储空间的使用效率---某个函数被调用时，局部变量会从软件堆栈中获得一个存储空间；当函数退出时，该函数局部变量所占用的空间就又被释放出来以供他用。正是因为栈式分配的存在，使递归函数称为可能。

（3）堆式分配:堆式一个相对复杂的数据结构。本书不做讨论。我们需要知道的是，堆能够随意按照我们的需求将一块完整的奶酪一般“切出”我们所申请的份额。当这一空间不再有用，需要释放这一空间时，我们就归还这块“奶酪”。系统会在此时试图将几块彼此相邻的小“奶酪”拼接成一块较大的“奶酪”。正是因为这种方式的灵活性，堆式分配是我们构建复杂数据结构的常用手段。