C語言內存分布

典型的C語言程序內存表示分區共有5個部分：

1. 正文段 Text segment
2. 已初始化數據段（數據段）Initialized data segment
3. 未初始化數據段（bss）Uninitialized data segment
4. 堆 Stack
5. 棧 Heap

具體分布圖

各個分區的作用

• 正文段
  • CPU執行的機器指令部分
  • 通常可共享
  • 常常是只讀的
• 已初始化數據段（數據段）
  • 包含程序中需明確賦初始值的變量
  • 保存已經初始化的全局變量
• 未初始化數據段（BSS）
  • 在程序開始執行之前，內核將此段中的數據初始化為0或空指針
  • 保存未初始化的全局變量（注意：即使是賦值為0也是未初始化！）
• 棧
  • 存儲自動變量（如函數形參）及每次函數調用所需保存的信息
  • 每次函數調用時，存放其返回地址及調用者的環境信息（如某些機器寄存器的值）
  • 為最近被調用的函數分配自動變量和臨時變量的存儲空間
• 堆
  • 動態存儲分配

初始化？

上面提到，對全局變量來說，如果是賦值為0仍是未初始化。下面給出實際實驗結果：

示例代碼1

#include <stdio.h>

int a;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

示例代碼2

#include <stdio.h>

int a = 0;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

可以看到，各個存儲區域數值沒有變化。

示例代碼3

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

可以看到，對全局變量進行真正的初始化之后，bss少了4個字節，data段多出了4個字節。

關於static的問題

示例代碼4

先看看相對上一例子，多了一個局部變量之后的內存分布。

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int b;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

可以看到，內存分布是沒有變化的，局部變量b會在棧上分配到內存。

示例代碼5

如果把b定義成static呢？

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    static int b;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

可以看到，此時bss上多出了8個字節。

示例代碼6

如果給b賦初始值0呢？

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    static int b = 0;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

可以看到，跟上一個例子相比沒有變化，說明跟全局變量一樣，static變量賦值為0仍是未初始化。

示例代碼7

如果給b賦初始值1呢？

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    static int b = 1;
    printf("hello\n");
    return 0;
}

編譯后查看內存分布：

可以看到，bss少了4個字節，而data多了4個字節，說明靜態變量和全局變量同理，初始化之后是存在data段中的。

關於static的用處

示例代碼8

#include <stdio.h>

int x = 4;

void incre() {
    static int x = 1;
    x *= x + 1;
    printf("%d\n", x);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int i;
    for (i = 1; i < x; i++) {
        incre();
    }
    return 0;
}

運行結果為：

可以看到，函數incre中x的作用域存在於其局部，但是卻在每次調用函數的時候沿用之前的值！這是因為static定義的變量是靜態變量，有着靜態存儲位置（變量存儲位置固定不動，若在代碼中已經初始化則存在於data段，否則存在於bss段），而不是存在於棧上，因此每次調用函數讀取到的變量的值都是靜態存儲區的值。

static的意義

1. 全局靜態變量

   • 不會被其它文件所訪問和修改
   • 其它文件中可以使用相同名字的變量，不會發生沖突

2. 局部靜態變量

   • 可以用作計數器，每次函數調用的時候可以進行計數

3. 靜態函數

   • 其它文件中可以定義相同名字的函數，不會發生沖突
   • 靜態函數不能被其它文件所用
   • 靜態函數會被分配在一個一直使用的存儲器，直到程序退出，避免了調用函數時進棧出棧，提升運行速度

參考書目

1. 《Unix環境高級編程》（中文第三版）
2. 《C primer plus》（中文第五版）

參考博客

C語言存儲空間布局以及static詳解——奔人之旅