37. 内存布局

1 内存分区

C代码经过预处理、编译、汇编、链接4步后生成一个可执行程序。

在 Windows 下，程序是一个普通的可执行文件，以下列出一个二进制可执行文件的基本情况：

通过上图可以得知，在没有运行程序前，也就是说程序没有加载到内存前，可执行程序内部已经分好3段信息，分别为代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）3 个部分（有些人直接把data和bss合起来叫做静态区或全局区）。

• 代码区

• 存放 CPU 执行的机器指令。通常代码区是可共享的（即另外的执行程序可以调用它），使其可共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可。代码区通常是只读的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令。另外，代码区还规划了局部变量的相关信息

• 全局初始化数据区/静态数据区（data段）

• 该区包含了在程序中明确被初始化的全局变量、已经初始化的静态变量（包括全局静态变量和局部静态变量）和常量数据（如字符串常量）

• 未初始化数据区（又叫 bss 区）

• 存入的是全局未初始化变量和未初始化静态变量。未初始化数据区的数据在程序开始执行之前被内核初始化为 0 或者空（NULL）
• 程序在加载到内存前，代码区和全局区(data和bss)的大小就是固定的，程序运行期间不能改变。然后，运行可执行程序，系统把程序加载到内存，除了根据可执行程序的信息分出代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）之外，还额外增加了栈区、堆区

• 代码区（text segment）

• 加载的是可执行文件代码段，所有的可执行代码都加载到代码区，这块内存是不可以在运行期间修改的。

• 未初始化数据区（BSS）

• 加载的是可执行文件BSS段，位置可以分开亦可以紧靠数据段，存储于数据段的数据（全局未初始化，静态未初始化数据）的生存周期为整个程序运行过程。

• 全局初始化数据区/静态数据区（data segment）

• 加载的是可执行文件数据段，存储于数据段（全局初始化，静态初始化数据，文字常量(只读)）的数据的生存周期为整个程序运行过程。

• 栈区（stack）

• 栈是一种先进后出的内存结构，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、返回值、局部变量等。在程序运行过程中实时加载和释放，因此，局部变量的生存周期为申请到释放该段栈空间。

• 堆区（heap）

• 堆是一个大容器，它的容量要远远大于栈，但没有栈那样先进后出的顺序。用于动态内存分配。堆在内存中位于BSS区和栈区之间。一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收

2 存储类型总结

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int e;
static int f;
int g = 10;
static int h = 10;

int main()
{
	int a;
	int b = 10;
	static int c;
	static int d = 10;
	char *i = "test";
	char *k = NULL;
    
    printf("&a\t %p\t //局部未初始化变量\n", &a);
	printf("&b\t %p\t //局部初始化变量\n", &b);

	printf("&c\t %p\t //静态局部未初始化变量\n", &c);
	printf("&d\t %p\t //静态局部初始化变量\n", &d);

	printf("&e\t %p\t //全局未初始化变量\n", &e);
	printf("&f\t %p\t //全局静态未初始化变量\n", &f);

	printf("&g\t %p\t //全局初始化变量\n", &g);
	printf("&h\t %p\t //全局静态初始化变量\n", &h);

	printf("i\t %p\t //只读数据(文字常量区)\n", i);
    
	k = (char *)malloc(10);
	printf("k\t %p\t //动态分配的内存\n", k);

	return 0;

}

输出结果：

tao@Taoc:~/Desktop/C/8$ ./8.2.2 
&a	 0x7ffe96a0a7e0	 //局部未初始化变量
&b	 0x7ffe96a0a7e4	 //局部初始化变量
&c	 0x559add9ab024	 //静态局部未初始化变量
&d	 0x559add9ab018	 //静态局部初始化变量
&e	 0x559add9ab028	 //全局未初始化变量
&f	 0x559add9ab020	 //全局静态未初始化变量
&g	 0x559add9ab010	 //全局初始化变量
&h	 0x559add9ab014	 //全局静态初始化变量
i	 0x559add9a9008	 //只读数据(文字常量区)
k	 0x559adeaac670	 //动态分配的内存

3 内存操作函数

3.1. memset()

#include <string.h>
void *memset(void *s, int c, size_t n);

功能：将s的内存区域的前n个字节以参数c填入

参数：

s：需要操作内存s的首地址

c：填充的字符，c虽然参数为int，但必须是unsigned char , 范围为0~255

n：指定需要设置的大小

返回值：s的首地址

int a[10];

	memset(a, 0, sizeof(a));
	memset(a, 97, sizeof(a));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%c\n", a[i]);
	}

3.2. memcpy()

#include <string.h>
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

功能：拷贝src所指的内存内容的前n个字节到dest所值的内存地址上。

参数：

dest：目的内存首地址

src：源内存首地址，注意：dest和src所指的内存空间不可重叠，可能会导致程序报错

n：需要拷贝的字节数

返回值：dest的首地址

int a[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
	int b[10];
	
	memcpy(b, a, sizeof(a));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d, ", b[i]);
	}
	printf("\n");

	//memcpy(&a[3], a, 5 * sizeof(int)); //err, 内存重叠

3.3. memmove()

memmove()功能用法和memcpy()一样，区别在于：dest和src所指的内存空间重叠时，memmove()仍然能处理，不过执行效率比memcpy()低些

3.4. memcmp()

#include <string.h>
int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);

功能：比较s1和s2所指向内存区域的前n个字节

参数：

s1：内存首地址1

s2：内存首地址2

n：需比较的前n个字节

返回值：

相等：=0

大于：>0

小于：<0

int a[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
	int b[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

	int flag = memcmp(a, b, sizeof(a));
	printf("flag = %d\n", flag);

4 堆区内存分配和释放

4.1. malloc()

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);

功能：在内存的动态存储区(堆区)中分配一块长度为size字节的连续区域，用来存放类型说明符指定的类型。分配的内存空间内容不确定，一般使用memset初始化。

参数：

size：需要分配内存大小(单位：字节)

返回值：

成功：分配空间的起始地址

失败：NULL

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int count, *array, n;
    printf("请输入要申请数组的个数：\n");
    scanf("%d", &n);
    
    array = (int *)malloc(n * sizeof(int));
    if(array == NULL)
    {
        printf("申请空间失败!\n");
        return -1;
    }
    //将申请到空间清0
    memset(array, 0, sizeof(int)*n);
    
    for(count = 0; count < n; count++)
        array[count] = count;
    for(count = 0; count < n; count++)
        printf("%2d", array[count]);
    
    free(array);
    
    return 0;
    
}

输出结果：

/8$ ./8.2.4-1 
请输入要申请数组的个数：
5
 0 1 2 3 4tao@Taoc:~/Desktop/C/8$

4.2. free()

#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);

功能：释放ptr所指向的一块内存空间，ptr是一个任意类型的指针变量，指向被释放区域的首地址。对同一内存空间多次释放会出错。

参数：

ptr：需要释放空间的首地址，被释放区应是由malloc函数所分配的区域。

返回值：无