关于C语言程序的内存分配的入门知识学习

 更新时间:2020年4月25日 17:37  点击:2149

C语言程序的存储区域

C语言编写的程序经过编绎-链接后,将形成一个统一的文件,它由几个部分组成,在程序运行时又会产生几个其他部分,各个部分代表了不同的存储区域:

代码段(Code or Text):代码段由程序中的机器码组成。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代码,并由处理器依次运行。
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。
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。
未初始化读写数据段(BSS):未初始化读写据是在程序中声明,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。
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,如果程序员没释放,操作系统可以在程序结束后回收内存。
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:

2015122113017887.png (577×107)

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,只读数据段和读写数据段,在程序运行之前,将动态生成未初始化数据段,在程序运行时还将动态形成堆区域和栈区域。

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),有时统称为段。

C语言程序的段

代码段(code):代码段由各个函数产生,函数的每一个语句将最终经过编绎和汇编生成二进制机器代码(具体生生哪种体系结构的机器代码由编译器决定)。
只读数据段(RO Data):只读数据段由程序中所使用的数据产生,该部分数据的特点是在运行中不需要改变,因此编译器会将该数据段放入只读的部分中。C语言中的只读全局变量,只读局部变量,程序中使用的常量等会在编译时被放入到只读数据区。注意:定义全局变量const char a[100]={"ABCDEFG"};将生成大小为100个字节的只读数据区,并使用“ABCDEFG”初始化。如果定义为:const char a[ ]={"ABCDEFG"};则根据字符串长度生成8个字节的只读数据段(还有'\0'),所以在只读数据段中,一般都需要做完全的初始化。
读写数据段(RW Data):读写数据段表示了在目标文件中一部分可以读也可以写的数据区,在某些场合它们又被称为已初始化数据段,这部分数据段和代码段,与只读数据段一样都属于程序中的静态区域,但具有可写性的特点。通常已初始化的全局变量和局部静态变量被放在了读写数据段,如: 在函数中定义static char b[ 100]={“ABCDEFG”};读写数据区的特点是必须在程序经过初始化,如果只定义,没初始值,则不会生成读写数据区,而会定位为未初始化数据区(BSS)。如果全局变量(函数外部定义的变量)加入static修饰,这表示只能在文件内使用,而不能被其他文件使用。
未初始化数据段(BSS):与读写数据段类似,它也属于静态数据区,但是该段中的数据没有经过初始化。因此它只会在目标文件中被标识,而不会真正称为目标文件中的一段,该段将会在运行时产生。未初始化数据段只在运行的初始化阶段才会产生,因此它的大小不会影响目标文件的大小。
在C语言的程序中,对变量的使用还有以下几点需要注意:

函数体中定义的变量通常是在栈上,不需要在程序中进行管理,由编绎器处理。
用malloc,calloc,realloc等分配内存的函数所分配的内存空间在堆上,程序必须保证在使用free释放,否则会发生内存泄漏。
所有函数体外定义的是全局变量,加了static后的变量不管是在函数内部或外部都放在全局区。
使用const定义的变量将放于程序的只读数据区。

程序中段的使用

下面用一个简单的例子来说明C语言中变量和段的对应关系。C语言程序中的全局区(静态区),实际对应着下述几个段:RO Data; RW Data ; BSS Data.一般来说,直接定义的全局变量在未初始化数据区,如果该变量有初始化则是在已初始化数据区(RW Data),加上const则将放在只读数据区。

const char ro[ ] = {"this is read only data"};  //只读数据区
static char rw_1[ ] ={"this is global read write data"}; //已初始化读写数据段
char BSS_1[ 100];                //未初始化数据段
const char *ptrconst ="constant data";      //字符串放在只读取数据段
int main()
{
    short b;                 //在栈上,占用2个字节
    char a[100];               //在栈上开辟100个字节,工的值是其首地址
    char s[ ]="abcdefg";           //s在栈上,占用4个字节
                         //"abcdefg"本身放置在只读数据存储区,占8个字节
 
    char *p1;                 //p1在栈上,占用4个字节       
    char *p2="123456";            //p2 在栈上,p2指向的内容不能改,
                         //“123456”在只读数据区
 
    static char rw_2[ ]={"this is local read write data"};//局部已初始化读写数据段
    static char BSS_2[100];          //局部未初始化数据段
    static int c = 0;             //全局(静态)初始化区
    p1=(char *)malloc(10 * sizeof(char ) );  //分配内存区域在堆区
    strcpy(p1,"xxxx");            //“XXXX”放在只读数据区,占5个字节
    free(p1);                 //使用free释放p1所指向的内存
    return 0;
}

读写数据段包含了忆初始化的全局变量 static char rw_1[ ]以及局部静态变量static rw_2[ ].其差别在于编绎时,是在函人部使用的还是可以在整个文件中使用。对于rw_1[] 无论有无static 修饰,其都将被放置在读写数据区,只是能否被其它文件引用与否。对于后者就不一样了,它是局部静态变量,放置在读写数据区,如果没static修饰,其意义完全改变,它将会是开辟在栈空间的局部变量,而不是静态变量,在这里rw_1[],rw_2[]后没具体数值,表示静态区大小同后面字符串长度决定。

对于未初始化数据区BSS_1[100]与BSS_2[100],其区别在于前者是全局变量,在所有文件中都可以使用;后者是局部变量,只在函数内部使用。未初始化数据段不设置后面的初始化数值,因此必须使用数值指定区域的大小,编绎器将根据大小设置BSS中需要增加的长度。

栈空间主要用于以下3数据的存储:

  1. 函数内部的动态变量
  2. 函数的参数
  3. 函数的返回值

栈空间是动态开辟与回收的。在函数调用过程中,如果函数调用的层次比较多,所需要的栈空间也逐渐加大,对于参数的传递和返回值,如果使用较大的结构体,在使用的栈空间也会比较大。

堆与栈的比较

1.申请方式

  stack: 由系统自动分配。 例如,声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。

  heap: 需要程序员自己申请,并指明大小,在C中malloc函数,C++中是new运算符。

  如

p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];

  如

p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];

  但是注意p1、p2本身是在栈中的。

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:首先应该知道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,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后将该结点从空闲结点链表中删除,并将该结点的空间分配给程序。

  对于大多数系统,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。

  由于找到的堆结点的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,是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在 WINDOWS下,栈的大小是2M(也有的说是1M,总之是一个编译时就确定的常数),如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。因此,能从栈获得的空间较小。

  堆:堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,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。

  堆是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

  另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是栈,而是直接在进程的地址空间中保留一快内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。

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后的下一条指令(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,在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈的,然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

  当本次函数调用结束后,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,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行。

  堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

6.存取效率的比较

  char s1[] = "a";

  char *s2 = "b";

  a是在运行时刻赋值的;而b是在编译时就确定的;但是,在以后的存取中,在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

  比如:

  int main(){

  char a = 1;

  char c[] = "1234567890";

  char *p ="1234567890";

  a = c[1];

  a = p[1];

  return 0;

  }

  对应的汇编代码

  10: a = c[1];

  00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]

  0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl

  11: a = p[1];

  0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]

  00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]

  00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

  第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指针值读到edx中,再根据edx读取字符,显然慢了。

7.小结

  堆和栈的主要区别由以下几点:

  (1)、管理方式不同;

  (2)、空间大小不同;

  (3)、能否产生碎片不同;

  (4)、生长方向不同;

  (5)、分配方式不同;

  (6)、分配效率不同;

  管理方式:对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。

  空间大小:一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M。当然,这个值可以修改。

  碎片问题:对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构。

  生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。

  分配方式:堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由mallo函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。

  分配效率:栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。

  从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete的使用,容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址, EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用堆。

  虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。

  无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果。

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