C語言的內(nèi)存管理

Tornador 2016-01-11

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對于一個C語言程序而言，內(nèi)存空間主要由五個部分組成代碼段(.text)、數(shù)據(jù)段(.data)、BSS段(.bss)，堆和棧組成，其中代碼段，數(shù)據(jù)段和BSS段是編譯的時候由編譯器分配的，而堆和棧是程序運行的時候由系統(tǒng)分配的。布局如下

在上圖中，由編譯器分配的地址空間都是在連接的時候分配的，而運行時分配的空間是在程序運行時由系統(tǒng)分配的

BSS段：BSS段（bss segment）通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量和靜態(tài)變量（這里注意一個問題：一般的書上都會說全局變量和靜態(tài)變量是會自動初始化的，那么哪來的未初始化的變量呢？變量的初始化可以分為顯示初始化和隱式初始化，全局變量和靜態(tài)變量如果程序員自己不初始化的話的確也會被初始化，那就是不管什么類型都初始化為0，這種沒有顯示初始化的就是我們這里所說的未初始化。既然都是0那么就沒必要把每個0都存儲起來，從而節(jié)省磁盤空間，這是BSS的主要作用）的一塊內(nèi)存區(qū)域。BSS是英文Block Started by Symbol的簡稱。BSS段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配。 BSS節(jié)不包含任何數(shù)據(jù)，只是簡單的維護開始和結(jié)束的地址，即總大小，以便內(nèi)存區(qū)能在運行時分配并被有效地清零。BSS節(jié)在應(yīng)用程序的二進制映象文件中并不存在，即不占用磁盤空間而只在運行的時候占用內(nèi)存空間，所以如果全局變量和靜態(tài)變量未初始化那么其可執(zhí)行文件要小很多。

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段（data segment）通常是指用來存放程序中已初始化的全局變量和靜態(tài)變量的一塊內(nèi)存區(qū)域。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配，可以分為只讀數(shù)據(jù)段和讀寫數(shù)據(jù)段。字符串常量等，但一般都是放在只讀數(shù)據(jù)段中。

代碼段：代碼段（code segment/text segment）通常是指用來存放程序執(zhí)行代碼的一塊內(nèi)存區(qū)域。這部分區(qū)域的大小在程序運行前就已經(jīng)確定，并且內(nèi)存區(qū)域通常屬于只讀, 某些架構(gòu)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(shù)變量，例如字符串常量等，但一般都是放在只讀數(shù)據(jù)段中。

堆（heap）：堆是用于存放進程運行中被動態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動態(tài)擴張或縮減。當(dāng)進程調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時，新分配的內(nèi)存就被動態(tài)添加到堆上（堆被擴張）；當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時，被釋放的內(nèi)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(chuàng)建的局部變量，也就是說我們函數(shù)括弧“{}”中定義的變量（但不包括static聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時，其參數(shù)也會被壓入發(fā)起調(diào)用的進程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會被存放回棧中。由于棧的先進先出特點，所以棧特別方便用來保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。從這個意義上講，我們可以把堆?？闯梢粋€寄存、交換臨時數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。注意：?？臻g是向下增長的，每個線程有一個自己的棧，在linux上默認(rèn)的大小是8M，可以用ulimit查看和修改。

棧系統(tǒng)提供的功能，特點是快速高效，缺點是有限制，數(shù)據(jù)不靈活；而堆是函數(shù)庫提供的功能，特點是靈活方便，數(shù)據(jù)適應(yīng)面廣泛，但是效率有一定降低。

以下是一個簡單的c文件，環(huán)境是OS--Linux，ARCH--PPC

##sta.c###
#include <stdio.h>

int kk[100] = {1,2,3,4,5};
int tt[100];
int ii;

int main()
{
int i;
static int si;
char a[10]= "abcd";
printf("i is %d/n");
return 0;
}

經(jīng)過gcc -S sta.c之后，生成的匯編代碼如下

##sta.s###

        .file   "sta.c"
        .gnu_attribute 4, 2
        .gnu_attribute 8, 3
        .globl kk
        .section        ".data"
        .align 2
        .type   kk, @object
        .size   kk, 400
kk:
        .long   1
        .long   2
        .long   3
        .long   4
        .long   5
        .zero   380
        .lcomm si.2254,4,4
        .type   si.2254, @object
        .section        .rodata
        .align 2
.LC1:
        .string "i is %d/n"
        .align 2
.LC0:
        .string "abcd"
        .zero   5
        .section        ".text"
        .align 2
        .globl main
        .type   main, @function

main:
        stwu 1,-32(1)
        mflr 0
        stw 0,36(1)
        stw 31,28(1)
        mr 31,1
        lis 9,.LC0@ha
        la 9,.LC0@l(9)
        lwz 0,0(9)
        lbz 9,4(9)
        stw 0,12(31)
        stb 9,16(31)
        li 0,0
        stb 0,17(31)
        li 0,0
        stb 0,18(31)
        li 0,0
        stb 0,19(31)
        li 0,0
        stb 0,20(31)
        li 0,0
        stb 0,21(31)
        lis 9,.LC1@ha
        la 3,.LC1@l(9)
        crxor 6,6,6
        bl printf
        li 0,0
        mr 3,0
        lwz 11,0(1)
        lwz 0,4(11)
        mtlr 0
        lwz 31,-4(11)
        mr 1,11
        blr
        .size   main, .-main
        .comm   tt,400,4
        .comm   ii,4,4
        .ident "GCC: (GNU) 4.2.3"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

Note: 一般編譯器和操作系統(tǒng)實現(xiàn)來說，對于虛擬地址空間的最低（從0開始的幾K）的一段空間是未被映射的，也就是說它在進程空間中，但沒有賦予物理地址，不能被訪問。這也就是對空指針的訪問會導(dǎo)致crash的原因，因為空指針的地址是0。至于為什么預(yù)留的不是一個字節(jié)而是幾K，是因為內(nèi)存是分頁的，至少要一頁；另外幾k的空間還可以用來捕捉使用空指針的情況。

另外推薦一個博客 http://blog.csdn.net/absurd/category/228431.aspx，寫得很好很全