C程式記憶體管理
C程式的記憶體管理
熟悉Java語言的肯定知道，Java中記憶體管理是由虛擬機器幫助我們完成的，在C/C++中可不是這樣，程式設計師需要自己去分配和回收記憶體空間。本文記錄了C程式可執行檔案的儲存結構、在記憶體中的儲存結構等方面的內容。以下C程式所使用的編譯器版本是GCC 4.4.7。
從一個C程式說起
檔案的結構
對於以下這段Hello.c程式再熟悉不過了
#include<stdio.h>
int main(void)
{
printf("Hello World\n");
return 0;
}下面使用gcc編譯它，然後執行可執行檔案，再檢視可執行檔案的儲存結構
可以看出，可執行檔案Hello在儲存時（沒有調入記憶體時）分為程式碼區（text），資料區（data）和未初始化資料區（bss）3個部分。另外3個欄位中，dec表示十進位制總和，hex表示十六進位制總和，filename表示檔名。各段的具體說明如下：
（1）程式碼段（text segment）：存放CPU執行的機器指令。通常程式碼區是可以共享的（即另外的執行程式可以呼叫它）。程式碼區通常是隻讀的，以防止程式意外的修改它的指令。常量資料在編譯時在程式碼區分配記憶體。程式碼區的指令包括操作碼和操作物件（或物件的地址引用）。如果是立即數，就直接包含在程式碼中；如果是區域性資料，將在執行時的棧空間中分配，然後在引用該資料的地址；如果是bss區和資料區，在程式碼中同樣是引用該資料的地址。
（2）全域性初始化資料區/靜態資料區（initialized data segment/data segment），或者簡稱資料段：該區域包含了在程式中明確被初始化的全域性變數，已經初始化的靜態變數（包括全域性靜態變數和區域性靜態變數）。需要注意的是，被const宣告的變數和字串常量在程式碼段中分配記憶體。這和組合語言中的資料段的概念是類似的。
（3）未初始化資料區bss（Block Started By Symbol）：儲存的是未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數。bss區域的資料在程式執行前會被核心初始化為0或者空指標（NULL），這和棧中的變數是不同的，棧中的變數（區域性變數）如果沒有初始化就使用，系統會隨機分配一個值給它，這是不安全的。
上述這些都是可執行檔案的儲存結構分析，其實執行時的記憶體結構和這個十分類似，只不過多了堆記憶體和棧記憶體區域，在後面會分析到。下面通過幾個例子驗證之。
還是以Hello.c程式為例
我們在Hello.c中增加了一句程式碼，定義一個常量i，通過分析比較，可以發現程式碼段text區大小增加了4個位元組（一個int型別佔4個位元組），其他區域不變，可知常量是分配在程式碼段的。
在上述的基礎上，在新增一句，定義一個全域性變數a，並給它賦值為2，觀察各區域變化
通過比較發現，只有資料段的大小增加了4個位元組，也證明了明確被初始化的全域性變數是被分配在資料區的。靜態變數也是一樣，可自行證之。
在上述的基礎上，我們在定義一個全域性變數b，但是這一個不要賦值，觀察各區域變化
可以發現，這一次只有bss區域增加4個位元組，也證明了未初始化的全域性變數是分配在bss區域的。未初始化的靜態變數同理，可自行證之。
程序的結構
一個程式執行的時候就表現為一個或者多個程序，其實程序核心的資料結構和上述檔案的儲存結構很相似，主要是多了堆記憶體和棧記憶體區域。主要的佈局如下圖所示
各部分說明如下：
（1）程式碼區（text segment）：載入的是上述可執行檔案的程式碼段，其載入到記憶體中的位置由載入器完成。
（2）全域性初始化資料區/靜態資料區（Data Segment）：載入的是上述可執行檔案的資料段，位置位於可執行程式碼段後面，可以是不相連的。在程式執行之初就為資料段申請了空間，程式退出的時候釋放空間，其生命週期是整個程式的執行時期。
（3）未初始化資料區（BSS）：載入的是上述可執行檔案的BSS段，位置在資料段之後，可以不相連。其生命週期和資料段一樣。
（4）棧區（Stack）：由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值、返回值、區域性變數等。在程式執行過程中動態的分配和釋放，棧區位於BSS後，是向上有限擴充套件的。
（5）堆區（Heap）：用於動態記憶體分配。位於棧區的後面，是向下有限擴充套件的。一般由程式設計師進行分配和釋放，若不釋放，在程式結束的時候，由OS負責回收。
堆與棧的區別
棧是由編譯器在程式執行時分配的記憶體空間，由作業系統維護（這和Java虛擬機器中的棧記憶體是類似的）。堆是由malloc( )函式（C++中的new）分配記憶體，記憶體的管理由程式設計師手動控制，在C語言中使用free( )函式完成釋放（C++中是delete）。堆和棧的主要區別有以下幾點：
（1）管理方式不同。程式在執行時，棧由作業系統自動管理，堆由程式設計師手動管理，堆記憶體的管理更容易造成記憶體的洩漏。
（2）空間大小不同。棧是向低地址擴充套件的（參考上圖）是一塊連續的記憶體空間，棧的容量是預先設定好的，如果申請的棧空間大於該預設值，將會出現棧溢位錯誤。堆是向高地址擴充套件的，是不連續的記憶體空間。系統是採用連結串列管理空閒的記憶體地址的，且連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址的。
（3）產生的碎片不同。在堆中頻繁的使用malloc/free（new/delete）勢必會再次記憶體空間的不連續，產生大量的記憶體碎片，使程式執行效率降低。而在棧記憶體中，則完全不會存在這樣的問題。
（4）擴充套件方向不同。在x86平臺上，堆是向上擴充套件的，即向記憶體地址增加的方向；棧是向下擴充套件的，即向記憶體地址減小的方向。
和前面一樣，下面使用一個例子去驗證執行時的儲存分佈
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <unistd.h>
#include <alloca.h>
extern void afunc(void);
extern etext,edata,end;<span style="white-space:pre"> </span>
int bss_var; //no init globel data must be in bss
int data_var=42; //init globel data must be in data
#define SHW_ADR(ID,I) printf("the %8s\t is at adr:%8x\n",ID,&I); //the macro to printf the addr
int main(int argc,char *argv[])
{
char *p,*b,*nb;
printf("Adr etext:%8x\t Adr edata %8x\t Adr end %8x\t\n",&etext,&edata,&end);
printf("\ntext Location:\n");
SHW_ADR("main",main); //text section function
SHW_ADR("afunc",afunc); //text section function
printf("\nbss Location:\n");
SHW_ADR("bss_var",bss_var); //bss section var
printf("\ndata location:\n");
SHW_ADR("data_var",data_var); //data section var
printf("\nStack Locations:\n");
afunc();
p=(char *)alloca(32); //alloc memory from statck
if(p!=NULL)
{
SHW_ADR("start",p);
SHW_ADR("end",p+31);
}
b=(char *)malloc(32*sizeof(char)); //malloc memory from heap
nb=(char *)malloc(16*sizeof(char));
printf("\nHeap Locations:\n");
printf("the Heap start: %p\n",b);
printf("the Heap end:%p\n",(nb+16*sizeof(char)));
printf("\nb and nb in Stack\n");
SHW_ADR("b",b);
SHW_ADR("nb",nb);
free(b);
free(nb);
}
void afunc(void)
{
static int long level=0; //data section static var
int stack_var; //temp var ,in stack section
if(++level==5)
{
return;
}
SHW_ADR("stack_var in stack section",stack_var);
SHW_ADR("Level in data section",level);
afunc();
}其中需要說明的，etext、edata和end（可以理解為end of text、end of data和end of bss）是3個外部的全域性變數，是跟使用者程序有關的虛擬地址，分別標誌著程式碼段的結束、資料段的結束和bss段的結束。
使用gcc編譯上述程式，並執行。
通過觀察執行時各區域的記憶體地址，可以得到以下的記憶體分佈圖（每一個執行環境，下面的記憶體地址值會不一樣，但對應關係不變）
需要說明的是，各區域之間並不是相連的，各區域在圖中的大小，並不代表實際的大小。從上面還可以發現，afunc函式中的靜態變數level四次列印的地址是一樣的，而區域性變數stack_var四次列印的地址各不相同，也就是說靜態變數在整個程式的生命週期內只會被載入初始化一次，而且分配在資料段；而區域性變數被分配到棧區，其生命週期是當前函式，每一次進入函式都會重新載入初始stack_var。