【@.1 結構體對齊】
@->1.1
如果你看過我的這一篇博客，一定會對字節的大小端對齊方式有了重新的認識。簡單回顧一下，對於我們常用的小端對齊方式，一個數據類型其高位數據存放在地址高位，地位數據在地址低位，如下圖所示↓
這種規律對於我們的基本數據類型是很好理解的，但是對於像結構、聯合等一類聚合類型(Aggregate)來說，存儲時在內存的排布是怎樣的？大小又是怎樣的？我們來做實驗。
*@->我們會經常用到下面幾個宏分別打印變量地址、大小、格式化值輸出、十六進制值輸出↓
#define Prt_ADDR(var) printf("addr: 0x%p \'"#var"\'\n",&(var))
#define Prt_SIZE(var) printf("Size of \'"#var"\': %dByte\n",(int)sizeof(var))
#define Prt_VALU_F(var,format) printf(" valu: "#format" \'"#var"\'\n",var)
#define Prt_VALU(var) Prt_VALU_F(var,0x%p)
*@->如果你沒有C語言編譯環境可以參考我的博客配置一個命令行gcc編譯環境，或者基於gcc的eclipse。
考慮下面代碼，
#include <stdio.h> #define Prt_ADDR(var) printf("addr: 0x%p \'"#var"\'\n",&(var)) #define Prt_SIZE(var) printf("Size of \'"#var"\': %dByte\n",(int)sizeof(var)) #define Prt_VALU_F(var,format) printf(" valu: "#format" \'"#var"\'\n",var) #define Prt_VALU(var) Prt_VALU_F(var,0x%p) typedef struct{ char a; char b; char c; char d; } MyType,*pMyType; //含有四個char成員的結構 int main() { pMyType pIns; //結構指針實例 int final; //拼接目標變量 pIns->a=0xAA; pIns->b=0xBB; pIns->c=0xCC; pIns->d=0xDD; final = *(unsigned int *)pIns; //拼接結構到int類型變量 Prt_VALU(final); return 0; }
上面代碼定義了一個含有4個char成員的結構,MyType和其指針pMyTYpe。新建一個實例pIns，賦值內部的四個成員，再將整體拼接到int類型的變量final中。MyType中只有四個char類型，所以該結構大小為4Byte（可以用sizeof觀察），而32位CPU中int類型也是4Byte所以大小正好合適，就看順序，你認為最終的順序是“0xAABBCCDD”，還是“0xDDCCBBAA”？
下面是輸出結果（我用的eclipse+CDT）。
為什么？
結構體中地址的高低位對齊的規律是什么？
我們說，局部變量都存放在棧（stack）里，程序運行時棧的生長規律是從地址高到地址低。C語言到頭來講是一個順序運行的語言，隨着程序運行，棧中的地址依次往下走。遇到自定義結構MyType的變量Ins時（我們程序里寫的是指針pIns，道理一樣），首先計算出MyType所需的大小，這里是4Byte，在棧里開辟一片4Byte的空間，其最低端就是這個結構的入口地址（而不是最上端！）。進入這個結構后，依次往上放結構中的成員，因此結構中第一個成員a在最下面，d在最上面。聯系到我們的小端（little-endian）對齊，因此最后輸出的結果是按照高位到低位，d-c-b-a的順序輸出一個完整的數。因此最終的final=0xDDCCBBAA。
IN A NUTSHELL
結構體中的成員按照定義的順序其存儲地址依次增長。
@->1.2
之前我們提到一句，遇到一個結構體時首先計算其大小，再從棧上開辟相應區域。那么這個大小是怎么計算的？
typedef struct{ char a; int b; char c; char d; } T1,*pT1; typedef struct{ char a; char b; char c; int d; } T2,*pT2;
現在計算上面定義的兩個結構體T1,T2的大小是多少？可以通過下面代碼打印
#include <stdio.h> #define Prt_ADDR(var) printf("addr: 0x%p \'"#var"\'\n",&(var)) #define Prt_SIZE(var) printf("Size of \'"#var"\': %dByte\n",(int)sizeof(var)) #define Prt_VALU_F(var,format) printf(" valu: "#format" \'"#var"\'\n",var) #define Prt_VALU(var) Prt_VALU_F(var,0x%p) typedef struct{ char a; int b; char c; char d; } T1,*pT1; typedef struct{ char a; char b; char c; int d; } T2,*pT2; int main() { T1 Ins1; T2 Ins2; Prt_SIZE(Ins1); Prt_SIZE(Ins2); }
其結果如下↓
參考這篇文章，總結結構對齊原則是：
原則1、數據成員對齊規則：結構（struct或聯合union）的數據成員，第一個數據成員放在offset為0的地方，以后每個數據成員存儲的起始位置要從該成員大小的整數倍開始（比如int在32位機為４字節，則要從4的整數倍地址開始存儲）。
原則2、結構體作為成員：如果一個結構里有某些結構體成員，則結構體成員要從其內部最大元素大小的整數倍地址開始存儲。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b應該從8的整數倍開始存儲。）
原則3、收尾工作：結構體的總大小，也就是sizeof的結果，必須是其內部最大成員的整數倍，不足的要補齊。
很明顯按照以上原則，分析之前T1，T2結構的存儲方式如圖所示，打X的是按照規則之后的補充位↓
好了，現在可以考慮將結構T2改為：
typedef struct{
char a;
char b;
char c;
int d;
T1 e; //T1類型成員e
}T2, *pT2
結構T2的大小是多大？（20Byte）
而如果改為：
typedef struct{
char a;
char b;
char c;
int d;
pT1 e; //pT1類型成員e
}T2, *pT2
結構T2的大小是多大？（12Byte）
這些情況均可以用上面三原則進行分析。
因此，按照上面原則可以總結出一條經驗性的習慣：將結構中數據類型大的成員往后放可以節省空間。
【@.2 變量存放地址，堆、棧，及內存分配】
我們先考慮一下局部變量在內存中的分布及順序，考慮如下代碼：
#include <stdio.h> #define Prt_ADDR(var) printf("addr: 0x%p \'"#var"\'\n",&(var)) #define Prt_SIZE(var) printf("Size of \'"#var"\': %dByte\n",(int)sizeof(var)) #define Prt_VALU_F(var,format) printf(" valu: "#format" \'"#var"\'\n",var) #define Prt_VALU(var) Prt_VALU_F(var,0x%p) int ga=32; int gb=777; int gc; int gd; int main() { int a=23; int b; const char c='m'; static int ss1; static int ss2=0; static int ss3=81; int * php1 = (int*)malloc(8*sizeof(int)); int * php2 = (int*)malloc(sizeof(int)); int hp3=malloc(sizeof(int)); //不好的寫法 char _pause; Prt_ADDR(a); Prt_ADDR(b); Prt_ADDR(c); Prt_ADDR(ss1); Prt_ADDR(ss2); Prt_ADDR(ss3); Prt_ADDR(php1);Prt_ADDR(*php1); Prt_ADDR(php2);Prt_ADDR(*php2); Prt_ADDR(hp3); Prt_VALU(hp3); //hp3內部存放分配的地址值 Prt_ADDR(ga); Prt_ADDR(gb); Prt_ADDR(gc); Prt_ADDR(gd); _pause=getchar(); }
這段代碼用於測試變量所分配的地址值，其中包含了局部變量（a,b,c)，靜態局部變量（ss,ss2),全局變量(ga,gb,gc,gd)。變量_pause僅僅用於在VC中調試方便。
參考這篇博客里的解釋，內存通常可分為如下幾塊：
BSS段：BSS段（bss segment）通常是指用來存放程序中未初始化，或初始化為0的全局變量，靜態局部變量的一塊內存區域。BSS是英文Block Started by Symbol的簡稱。BSS段屬於靜態內存分配。
數據段：數據段（data segment）通常是指用來存放程序中已初始化為非0的全局變量的一塊內存區域。數據段屬於靜態內存分配。
代碼段：代碼段（code segment/text segment）通常是指用來存放程序執行代碼的一塊內存區域。這部分區域的大小在程序運行前就已經確定，並且內存區域通常屬於只讀, 某些架構也允許代碼段為可寫，即允許修改程序。在代碼段中，也有可能包含一些只讀的常數變量，例如字符串常量等。
堆（heap）：堆是用於存放進程運行中被動態分配的內存段，它的大小並不固定，可動態擴張或縮減。當進程調用malloc等函數分配內存時，新分配的內存就被動態添加到堆上（堆被擴張）；當利用free等函數釋放內存時，被釋放的內存從堆中被剔除（堆被縮減）
棧(stack)：棧又稱堆棧， 是用戶存放程序臨時創建的局部變量，也就是說我們函數括弧“{}”中定義的變量（但不包括static聲明的變量，static意味着在數據段中存放變量）。除此以外，在函數被調用時，其參數也會被壓入發起調用的進程棧中，並且待到調用結束后，函數的返回值也會被存放回棧中。由於棧的先進先出特點，所以棧特別方便用來保存/恢復調用現場。從這個意義上講，我們可以把堆棧看成一個寄存、交換臨時數據的內存區。
highest address
=========
| stack |
| vv |
| |
| |
| ^^ |
| heap |
=========
| bss |
=========
| data |
=========
| text |
=========
address 0
另外，棧（stack）的增長方向往地址低方向走，具有先進先出特點，棧頂指針位於低地址，隨着程序運行在不斷變化。堆（heap）的增長方向往地址高方向走，堆是一個類似於鏈表的結構，因此並不見得是個連續的空間。
好了，我們通常的理解就到此為，運行上面代碼結果如下（前者Visual Studio，后者eclipse調用gcc的編譯結果如下）。
每次程序運行這些變量的絕對地址可能變化，所以分析時我們注重觀察變量的相對地址變化。
變量a,b,c均為局部變量，不管初始化與否，都被分配在棧上，而且順序是按照從低至高向地址低分配的。其中變量c我添加了一個const是想說明，在修飾變量時，const對於地址分配無關，僅僅表示此變量是readonly的。另外，在VS系的編譯器中，這些局部變量所占的空間大小比本身數據結構大，而gcc編譯時的每個變量是地址上一個接着一個排，並且對齊方式也可以用前面的結構體對齊規律解釋。
變量ss1，ss2，ss3就有區別了。ss1是未初始化的靜態局部變量，ss2初始化為0，將被分配到BSS區，而且二者在gcc或VC編譯后都是緊挨着的而不是像棧時有區別（后面會解釋）。ss3初始化了的靜態局部變量，分配在data段。
接下來的php1,php2和hp3變量用於演示堆(heap)操作。堆是由程序員自己控制並釋放的，一般由malloc()等內存函數進行申請，最后需要用free進行釋放（我在程序中沒有用free了，最后將由系統釋放）。這篇文章對內存操作有較詳細的描述（這也是一篇比較優秀的在線C教程，而且是一頁流）。mallloc()返回void*類型的指針，指向在堆中開辟的一片區域。注意並沒有初始化這片區域，所以其中的值可能是任意的。
我這里之所以打印了php1和*php1的地址是想說明，php本身是指針，其本身存在於棧中，而通過malloc分配之后，保存了一塊分配好大小的堆的地址值。比較上面VS和gcc的編譯結果，堆中的*php1和*php2分配的地址並不連續，而且地址增長方向也不同。雖然說堆是按照地址從低到高增長的，但是實際使用上堆相當於鏈表，一塊鏈下一塊，所以堆的地址增長方式我們可以不用太糾結。
hp3演示了一個非常規的堆的申請，malloc本身返回一個void*類型指針，賦值給int類型的hp3，嚴格意義上即使強制轉換也不允許的。那么int hp3=malloc(sizeof(int)); 這句話做了什么？通過后面Prt_VALU()打印其值可知，由於void*類型的特殊性，hp3中保存了分配好的堆的地址值。
全局變量，ga，gb初始化為非0，分配在data段，而gc，gd未初始化，分配在BSS段。以上可以通過觀察打印出來的地址理解。
最后，總結一些有趣的實驗現象如下：
@-> 棧的地址位於所有區域的地址最下面，跟理論上棧位於地址高位有出入。
@-> 堆的增長方向不見得是從地址低到高。gcc中是低到高，而VS中是高到低。
@-> 在BSS區域，未初始化（或初始化為0）的全局變量(gc,gd)按地址從高到低分配，而靜態局部變量(ss1,ss2)按地址從低到高分配。
@-> 初始化的全局變量和靜態局部變量(ga,gb,ss3)分配在Data段，從低到高分配，且地址上連續。
那么，為什么堆棧（stack、heap）上的地址分配並不見得是一個挨着一個（VS編譯下的局部變量a,b,c），而DATA段，BSS段往往是一個挨着一個的呢？這個問題我想其實很多新手並沒有太深究（比如我），包括關於所謂靜態區域和非靜態區域到底意味着什么。
【@.3 可執行文件包含的區域】
前面一直在提到內存可分為BSS段、堆、棧、DATA、TEXT，那么對於程序經過編譯后的可執行文件，如.out,.exe,.hex等，我們運行時是需要加載到內存中區的，那么他們的代碼所占的段有哪些？是全部都包含了么？當然不是。
對於這點，1997年出版的著名的《Expert C Programming: Deep C Secrets》中有一個詳細的解釋。對於如下圖中左側source file中的源代碼，經過編譯后到out文件時的變量存儲區域如圖所示。
當程序運行時，a.out加載到實際內存中去的分布如下圖↓
OK，有了這兩張圖已經很能說明問題了！（上圖沒標明堆 heap）
main函數中的局部變量，在編譯時是不會編譯到out文件，而是將申明變量的這條語句作為機器碼放在text段，直到運行時再從棧或堆中分配內存。所以如果做實驗發現，申明了局部變量之后發現編譯后的文件變大了（有時又不會變大），以為是因為為局部變量分配了內存，其實應該是增加了申明局部變量這句話的操作的機器碼。而BSS段雖然在輸出文件里有，但是本身不占大小，僅僅是包含了一段最終所需BSS段的大小的信息，在運行時（runtime）會擴張為相應大小。因此
@-> 初始化為非0的全局變量和靜態局部變量會直接在輸出文件中分配地址，運行時直接拷貝到內存data段。
@-> 未初始化或初始化為0的全局變量和靜態局部變量在輸出文件中不占大小，僅僅記錄下最終需要的BSS段大小，運行時擴張到內存中的BSS段初始化為0。
@-> 局部變量，僅僅體現在申明時所執行操作語句的大小上，本身不占大小，運行時動態申請棧或堆。
@.[FIN] @.date->Dec 6, 2012 @.author->apollius