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C语言进程内存映像详解：堆、栈、数据段、代码段

创作时间:

作者:

@小白创作中心

C语言进程内存映像详解：堆、栈、数据段、代码段

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/m0_63939847/article/details/142966813

C语言进程的内存布局是理解程序运行机制的关键。本文将详细介绍C语言进程的内存映像，包括堆、栈、数据段和代码段等内存区域的特性。通过本文的学习，读者将能够更好地理解C语言程序的内存管理机制。

1、C进程内存布局

任何一个程序，正常运行都需要内存资源，用来存放诸如变量、常量、函数代码等等。这些不同的内容，所存储的内存区域是不同的，且不同的区域有不同的特性。因此我们需要研究C语言进程的内存布局，逐个了解不同内存区域的特性。

每个C语言进程都拥有一片结构相同的虚拟内存，所谓的虚拟内存，就是从实际物理内存映射出来的地址规范范围，最重要的特征是所有的虚拟内存布局都是相同的，极大地方便内核管理不同的进程。例如三个完全不相干的进程p1、p2、p3，它们很显然会占据不同区段的物理内存，但经过系统的变换和映射，它们的虚拟内存的布局是完全一样的。

PM：Physical Memory，物理内存。
VM：Virtual Memory，虚拟内存。

将其中一个C语言含如进程的虚拟内存放大来看，会发现其内部包下区域：

栈（stack）
堆（heap）
数据段
代码段

虚拟内存中，内核区段对于应用程序而言是禁闭的，它们用于存放操作系统的关键性代码，另外由于 Linux 系统的历史性原因，在虚拟内存的最底端 0x0 ~ 0x08048000 之间也有一段禁闭的区段，该区段也是不可访问的。

虚拟内存中各个区段的详细内容:

2、栈内存

什么东西存储在栈内存中？

环境变量（包括当前文件路径之类的很多环境变量）
命令行参数（要启动c程序时在命令行中输入的参数）
局部变量（包括形参）

细说命令行参数：

void main(int argc,char *argv[]){
    for (size_t i = 0; i < argc; i++) {
        printf("%s\t", argv[i]);
    }
}

执行结果：

栈内存有什么特点？

空间有限，尤其在嵌入式环境下。因此不可以用来存储尺寸太大的变量。
每当一个函数被调用，栈就会向下增长一段，用以存储该函数的局部变量。
每当一个函数退出，栈就会向上缩减一段，将该函数的局部变量所占内存归还给系统。

总结：

空间有限，随着函数的调用和退出动态分配（主要是分配给函数局部变量的空间和收回局部变量的空间）。

注意：
示例代码：

void func(int a, int *p) // 在函数 func 的栈内存中分配
{
    double f1, f2; // 在函数 func 的栈内存中分配
    ...
    // 退出函数 func 时，系统的栈向上缩减，释放内存
}

int main(void)
{
    int m = 100; // 在函数 main 的栈内存中分配
    func(m, &m); // 调用func时，系统的栈内存向下增长
}

3、静态数据

C语言中，静态数据有两种：

全局变量：定义在函数外部的变量。
静态局部变量：定义在函数内部，且被static修饰的变量。
示例：

int a; // 全局变量，退出整个程序之前不会释放

void f(void)
{
    static int b; // 静态局部变量，退出整个程序之前不会释放
    printf("%d\n", b);
    b++;
}

int main(void)
{
    f();
    f(); // 重复调用函数 f()，会使静态局部变量 b 的值不断增大
}

为什么需要静态数据？

全局变量在默认的情况下，对所有文件可见，为某些需要在各个不同文件和函数间访问的数据提供操作上的方便。
当我们希望一个函数退出后依然能保留局部变量的值，以便于下次调用时还能用时，静态局部变量可帮助实现这样的功能。

注意1：

若定义时未初始化，则系统会将所有的静态数据自动初始化为0
静态数据初始化语句，只会执行一遍。
静态数据从程序开始运行时便已存在，直到程序退出时才释放。

注意2：

static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据（存储于数据段）。
static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见的静态数据（缩小可见范围，为了减少命名冲突）。
static修饰函数：使之由各文件可见的函数，变成了本文件可见的静态函数。

4、数据段与代码段

数据段细分成如下几个区域：

.bss 段：存放未初始化的静态数据，它们将被系统自动初始化为0
.data段：存放已初始化的静态数据
.rodata段：存放常量数据

代码段细分成如下几个区域：

.text段：存放用户代码
.init段：存放系统初始化代码

int a; // 未初始化的全局变量，放置在.bss 中
int b = 100; // 已初始化的全局变量，放置在.data 中

int main(void)
{
    static int c; // 未初始化的静态局部变量，放置在.bss 中
    static int d = 200; // 已初始化的静态局部变量，放置在.data 中
    // 以上代码中的常量100、200放置在.rodata 中
}

注意：数据段和代码段内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。

5、堆内存

（1）堆内存概述：

堆内存（heap）又被称为动态内存、自由内存，简称堆。堆是唯一可被开发者自定义的区段，开发者可以根据需要申请内存的大小、决定使用的时间长短等。但又由于这是一块系统“飞地”，所有的细节均由开发者自己把握，系统不对此做任何干预，给予开发者绝对的“自由”，但也正因如此，对开发者的内存管理提出了很高的要求。对堆内存的合理使用，几乎是软件开发中的一个永恒的话题。

（2）堆内存基本特征：

（3）什么时候需要用堆内存

当程序需要存储大量数据时，就需要申请堆内存来存放数据。堆内存是指程序运行时自己分配的内存，被称为动态内存。与静态内存（即内存块）不同，堆内存的大小不固定，可以随着程序运行需要而增加或减少。

当程序需要存储大量数据时，例如处理图形图像、视频音频、文件操作等需要大量内存的操作时，就需要申请堆内存来存放数据。此外，在程序中使用动态内存分配时，也需要使用堆内存。

eg：

在学生管理系统中，我们需要申请堆内存来存放学生数据，因为学生的数量是不固定的，而且学生的数据结构体包含了很多成员变量，这意味着这些变量需要存放的数据量很大，所以需要在程序运行时动态地分配内存。如果不申请堆内存，程序运行时会无法为学生数据分配足够的内存，导致程序崩溃或者数据丢失。

申请堆内存可以通过以下方法实现：

使用 calloc 函数为数组分配堆空间。
使用 malloc 函数为每个学生实例分配内存。
使用 free 函数归还堆内存。

申请堆内存和不申请堆内存的区别主要体现在内存分配方面。

不申请堆内存时，程序会使用栈内存来存放数据，当数据量很大时，栈内存可能会被填满，导致程序崩溃。

而申请堆内存时，程序会使用堆内存来存放数据，这样可以动态地分配内存，从而避免程序崩溃。

（4）相关API：

示例：

int *p = malloc(sizeof(int)); // 申请1块大小为 sizeof(int) 的堆内存
bzero(p, sizeof(int));        // 将刚申请的堆内存清零
*p = 100; // 将整型数据 100 放入堆内存中
free(p);  // 释放堆内存
p=NULL;
//将释放内存的指针指向空，防止以后不小心用到的时候，对不属于自己的内存进行操作，改动到其他地方的东西
// 申请3块连续的大小为 sizeof(double) 的堆内存，并且会自动清零
double *k = calloc(3, sizeof(double));
k[0] = 0.618;
k[1] = 2.718;
k[2] = 3.142;
free(k);  // 释放堆内存
k=NULL;
double *k = calloc(3, sizeof(double));
完全等价于
double *k = malloc(3 * sizeof(double));
bzero(k ,3 * sizeof(double));