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C語言程序在內存中的運行情況

編輯：關於C語言

C語言程序的存儲區域

C語言編寫的程序經過編繹-鏈接後，將形成一個統一的文件，它由幾個部分組成，在程序運行時又會產生幾個其他部分，各個部分代表了不同的存儲區域：

代碼段（Code or Text）：代碼段由程序中的機器碼組成。在C語言中，程序語句進行編譯後，形成機器代碼。在執行程序的過程中，CPU的程序計數器指向代碼段的每一條代碼，並由處理器依次運行。
只讀數據段（RO data）：只讀數據段是程序使用的一些不會被更改的數據，使用這些數方式類似查表式的操作，由於這些變量不需要更改，因此只需要放置在只讀存儲器中即可。
已初始化讀寫數據段(RW data)：已初始化數據是在程序中聲明，並且具有初值的變量，這些變量需要占用存儲器的空間，在程序執行時它們需要位於可讀寫的內存區域內，並具有初值，以供程序運行時讀寫。
未初始化讀寫數據段(BSS)：未初始化讀寫據是在程序中聲明，但是沒有初始化的變量，這些變量在程序運行之前不需要占用存儲器的空間。
堆(heap)：堆內存只在程序運行時出現，一般由程序員分配和釋放。在具有操作系統的情況下，如果程序員沒釋放，操作系統可以在程序結束後回收內存。
棧(stack)：棧內存只在程序運行時出現，在函數內部使用的變量，函數的參數以及返回值將使用棧空間，棧空間由編譯器自動分配和釋放。

C語言目標文件的內存布局如圖：

Code RO data RW data

代碼段，只讀數據段，讀寫數據段，未初始化數據段屬於靜態區域，而堆和棧屬於動態區域。代碼段，只讀數據段和讀寫數據段將在連接之後產生，未初始化數據段將在程序初始化的時候開辟，而堆和棧將在程序的運行中分配和釋放。

C語言程序分為映像和運行時兩種狀態，在編譯連接後形成的映像中，將只包含代碼段，只讀數據段和讀寫數據段，在程序運行之前，將動態生成未初始化數據段，在程序運行時還將動態形成堆區域和棧區域。

一般來說，在靜態的映像文件中，各個部分稱之為節（Section），而在運行時的各個部分稱之為段(Segment)，有時統稱為段。

C語言程序的段

代碼段（code）：代碼段由各個函數產生，函數的每一個語句將最終經過編繹和匯編生成二進制機器代碼（具體生生哪種體系結構的機器代碼由編譯器決定）。
只讀數據段（RO Data）：只讀數據段由程序中所使用的數據產生，該部分數據的特點是在運行中不需要改變，因此編譯器會將該數據段放入只讀的部分中。C語言中的只讀全局變量，只讀局部變量，程序中使用的常量等會在編譯時被放入到只讀數據區。注意：定義全局變量const char a[100]={"ABCDEFG"};將生成大小為100個字節的只讀數據區，並使用“ABCDEFG”初始化。如果定義為：const char a[ ]={"ABCDEFG"};則根據字符串長度生成8個字節的只讀數據段（還有’\0’），所以在只讀數據段中，一般都需要做完全的初始化。
讀寫數據段（RW Data）：讀寫數據段表示了在目標文件中一部分可以讀也可以寫的數據區，在某些場合它們又被稱為已初始化數據段，這部分數據段和代碼段，與只讀數據段一樣都屬於程序中的靜態區域，但具有可寫性的特點。通常已初始化的全局變量和局部靜態變量被放在了讀寫數據段，如: 在函數中定義static char b[ 100]={“ABCDEFG”};讀寫數據區的特點是必須在程序經過初始化，如果只定義，沒初始值，則不會生成讀寫數據區，而會定位為未初始化數據區（BSS）。如果全局變量（函數外部定義的變量）加入static修飾，這表示只能在文件內使用，而不能被其他文件使用。
未初始化數據段（BSS）：與讀寫數據段類似，它也屬於靜態數據區，但是該段中的數據沒有經過初始化。因此它只會在目標文件中被標識，而不會真正稱為目標文件中的一段，該段將會在運行時產生。未初始化數據段只在運行的初始化階段才會產生，因此它的大小不會影響目標文件的大小。

在C語言的程序中，對變量的使用還有以下幾點需要注意：

函數體中定義的變量通常是在棧上，不需要在程序中進行管理，由編繹器處理。
用malloc,calloc,realloc等分配內存的函數所分配的內存空間在堆上，程序必須保證在使用free釋放，否則會發生內存洩漏。
所有函數體外定義的是全局變量，加了static後的變量不管是在函數內部或外部都放在全局區。
使用const定義的變量將放於程序的只讀數據區。

程序中段的使用

下面用一個簡單的例子來說明C語言中變量和段的對應關系。C語言程序中的全局區（靜態區），實際對應著下述幾個段：RO Data; RW Data ; BSS Data.一般來說，直接定義的全局變量在未初始化數據區，如果該變量有初始化則是在已初始化數據區（RW Data），加上const則將放在只讀數據區。

const char ro[ ] = {"this is read only data"};   //只讀數據區
static char rw_1[ ] ={"this is global read write data"}; //已初始化讀寫數據段
char BSS_1[ 100];                                //未初始化數據段
const char *ptrconst ="constant data";           //字符串放在只讀取數據段
int main()
{
       short b;                                  //在棧上，占用2個字節
       char a[100];                              //在棧上開辟100個字節，工的值是其首地址
       char s[ ]="abcdefg";                      //s在棧上，占用4個字節
                                                 //"abcdefg"本身放置在只讀數據存儲區，占8個字節
 
       char *p1;                                 //p1在棧上，占用4個字節              
       char *p2="123456";                        //p2 在棧上，p2指向的內容不能改，
                                                 //“123456”在只讀數據區
 
       static char rw_2[ ]={"this is local read write data"};//局部已初始化讀寫數據段
       static char BSS_2[100];                   //局部未初始化數據段
       static int c = 0;                         //全局（靜態）初始化區
       p1=(char *)malloc(10 * sizeof(char ) );   //分配內存區域在堆區
       strcpy(p1,"xxxx");                        //“XXXX”放在只讀數據區，占5個字節
       free(p1);                                 //使用free釋放p1所指向的內存
       return 0;
}

讀寫數據段包含了憶初始化的全局變量 static char rw_1[ ]以及局部靜態變量static rw_2[ ].其差別在於編繹時，是在函人部使用的還是可以在整個文件中使用。對於rw_1[] 無論有無static 修飾，其都將被放置在讀寫數據區，只是能否被其它文件引用與否。對於後者就不一樣了，它是局部靜態變量，放置在讀寫數據區，如果沒static修飾，其意義完全改變，它將會是開辟在棧空間的局部變量，而不是靜態變量，在這裡rw_1[],rw_2[]後沒具體數值，表示靜態區大小同後面字符串長度決定。

對於未初始化數據區BSS_1[100]與BSS_2[100]，其區別在於前者是全局變量，在所有文件中都可以使用；後者是局部變量，只在函數內部使用。未初始化數據段不設置後面的初始化數值，因此必須使用數值指定區域的大小，編繹器將根據大小設置BSS中需要增加的長度。

棧空間主要用於以下3數據的存儲：