C语言程序里全局变量、局部变量、堆、栈的存储区域

一、存储区域介绍

• C语言在内存中一共分为如下几个区域

区域	作用
内存栈区	存放局部变量名
内存堆区	存放new或者malloc出来的对象
常数区	存放局部变量或者全局变量的值
静态区	用于存放全局变量或者静态变量
代码区	二进制代码

• 区域的解释

栈区(stack)–由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

堆区(heap)–般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。

全局区(静态区)(static)–全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域（RW），未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域（ZI）。程序结束后有系统释放。 和“栈”一样，通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的变量的存储区，但它用于的是在整个程序运行期间都可见的全局变量和静态变量。

文字常量区–常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放 （RO）

程序代码区–存放函数体的二进制代码。 （RO）

常量存储区—和“全局/静态存储区”一样，通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的常量的存储区，并且在程序运行期间，存储区内的常量是全局可见的。这是一块比较特殊的存储去，他们里面存放的是常量，不允许被修改。

• 内存存在两种属性：静态分配内存和动态分配内存。

静态分配内存：是在程序编译和链接时就确定好的内存。
动态分配内存：是在程序加载、调入、执行的时候分配/回收的内存。

• 堆栈

堆和栈都是动态分配内存，两者空间大小都是可变的。

Stack： 栈，存放Automatic Variables，按内存地址由高到低方向生长，其最大大小由编译时确定，速度快，但*性差，最大空间不大。

通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的变量的存储区，用于在函数作用域内创建，在离开作用域后自动销毁的变量的存储区。通常是局部变量，函数参数等的存储区。他的存储空间是连续的，两个紧密挨着定义的局部变量，他们的存储空间也是紧挨着的。栈的大小是有限的，通常Visual C++编译器的默认栈的大小为1MB，所以不要定义int a[1000000]这样的超大数组。

Heap： 堆，*申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存/虚拟内存上限决定，速度较慢，但*性大，可用空间大。
通常是用于那些在编译期间不能确定存储大小的变量的存储区，它的存储空间是不连续的，一般由malloc（或new）函数来分配内存块，并且需要用free（delete）函数释放内存。如果程序员没有释放掉，那么就会出现常说的内存泄漏问题。需要注意的是，两个紧挨着定义的指针变量，所指向的malloc出来的两块内存并不一定的是紧挨着的，所以会产生内存碎片。另外需要注意的一点是，堆的大小几乎不受限制，理论上每个程序最大可达4GB。
每个线程都会有自己的栈，但是堆空间是共用的。

• Text & Data & Bss

.text： 也称为代码段(Code)，用来存放程序执行代码，同时也可能会包含一些常量(如一些字符串常量等）。该段内存为静态分配，只读(某些架构可能允许修改)。 这块内存是共享的,当有多个相同进程(Process)存在时，共用同一个text段。

.data： 也有的地方叫GVAR(global value)，用来存放程序中已经初始化的非零全局变量。静态分配。 data又可分为读写（RW）区域和只读（RO）区域。
-> RO段保存常量所以也被称为.constdata
-> RW段则是普通非常全局变量，静态变量就在其中 .bss： 存放程序中为初始化的和零值全局变量。静态分配，在程序开始时通常会被清零。

• 从低地址到高地址
  

二、在ubuntu系统中输出信息进行验证

• 输入代码main.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
 
void before()
{
 
}
 
char g_buf[16];
char g_buf2[16];
char g_buf3[16];
char g_buf4[16];
char g_i_buf[]="123";
char g_i_buf2[]="123";
char g_i_buf3[]="123";
 
void after()
{
 
}
 
int main(int argc, char **argv)
{
        char l_buf[16];
        char l_buf2[16];
        char l_buf3[16];
        static char s_buf[16];
        static char s_buf2[16];
        static char s_buf3[16];
        char *p_buf;
        char *p_buf2;
        char *p_buf3;
 
        p_buf = (char *)malloc(sizeof(char) * 16);
        p_buf2 = (char *)malloc(sizeof(char) * 16);
        p_buf3 = (char *)malloc(sizeof(char) * 16);
 
        printf("g_buf: 0x%x\n", g_buf);
        printf("g_buf2: 0x%x\n", g_buf2);
        printf("g_buf3: 0x%x\n", g_buf3);
        printf("g_buf4: 0x%x\n", g_buf4);
 
        printf("g_i_buf: 0x%x\n", g_i_buf);
        printf("g_i_buf2: 0x%x\n", g_i_buf2);
        printf("g_i_buf3: 0x%x\n", g_i_buf3);
 
        printf("l_buf: 0x%x\n", l_buf);
        printf("l_buf2: 0x%x\n", l_buf2);
        printf("l_buf3: 0x%x\n", l_buf3);
 
        printf("s_buf: 0x%x\n", s_buf);
        printf("s_buf2: 0x%x\n", s_buf2);
        printf("s_buf3: 0x%x\n", s_buf3);
 
        printf("p_buf: 0x%x\n", p_buf);
        printf("p_buf2: 0x%x\n", p_buf2);
        printf("p_buf3: 0x%x\n", p_buf3);
 
        printf("before: 0x%x\n", before);
        printf("after: 0x%x\n", after);
        printf("main: 0x%x\n", main);
 
        if (argc > 1)
        {
                strcpy(l_buf, argv[1]);
        }
        return 0;
}

l_buf/l_buf2/l_buf3 ，直接定义，是由编译器自动分配的，存储在栈中
s_buf/s_buf2/s_buf3，定义static，编译器编译时分配内存。为全局变量，在全局初始化区
p_buf/p_buf2/p_buf3，他们指向的空间，通过malloc申请空间，存放在堆中
g_buf/g_buf2/g_buf3/g_buf4/，定义的为全局变量，在全局初始化区

• 运行结果
  
• 分析结果
  栈存放区域是由高地址到低地址向下增长
  堆存放区是由低地址到高地址像上增长
  静态变量地址从高地址到低地址向下增长
  函数地址是从低地址到高地址向上增长

三、在Keil中针对stm32系统进行验证

• 总结

内存高地址	栈区
	堆区
	.bss段
	.data段
	常量区
内存低地址	代码区

• 在MDK中编译后可以看到Code、RO-data、RW-data、ZI-data的大小

Code是存储程序代码的；
RO-data是存储const常量和指令
RW-data是存储初始化值不为0的全局变量
ZI-data是存储未初始化的全局变量或初始化值为0的全局变量

• keil中的代码

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int k1 = 1;
int k2;
static int k3 = 2;
static int k4;
int main(void)
 {
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2
	uart_init(115200);	 //串口初始化为115200
	 
	 while(1)
	{
    static int m1=2, m2;
    int i = 1;
    char *p;
    char str[10] = "hello";
    char *var1 = "123456";
    char *var2 = "abcdef";
    int *p1=malloc(4);
    int *p2=malloc(4);
    free(p1);
    free(p2);
    printf("栈区-变量地址");
	printf("   i:%p\r\n", &i);
	printf("                p:%p\r\n", &p);
	printf("              str:%p\r\n", str);
    printf("堆区-动态申请地址");
    printf("  %p\r\n", p1);
    printf("                   %p\r\n", p2);
    printf("\r\n.bss段\r\n");
	printf("全局外部无初值 k2:%p\r\n", &k2);
	printf("静态外部无初值 k4:%p\r\n", &k4);
	printf("静态内部无初值 m2:%p\r\n", &m2);
    printf("\r\n.data段\r\n");
    printf("全局外部有初值 k1:%p\r\n", &k1);
    printf("静态外部有初值 k3:%p\r\n", &k3);
    printf("静态内部有初值 m1:%p\r\n", &m1);
    printf("\r\n常量区\r\n");
    printf("文字常量地址     :%p\r\n",var1);
    printf("文字常量地址     :%p\r\n",var2);
    printf("\r\n代码区\r\n");
    printf("程序区地址       :%p\r\n",&main);
	}
}

• 串口调试结果
  
• 分析结果可知，stm32的栈区的地址值是从上到下减小的，堆区则是从上到下增长的。

四、总结

通过这次学习让我对C程序的内存分配有进一步的认识，知道一个C程序内存包括的部分，了解了栈和堆地址变化的不同。而且在不同系统中,区域内的地址值变化不一定是相同的。

五、参考资料

1、https://blog.csdn.net/feier7501/article/details/8564300
2、https://blog.csdn.net/jirryzhang/article/details/79518408
3、https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/110308101