C程序的内存空间布局（栈、堆、数据区、常量区、代码区）

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C程序的内存空间布局

补充：内存地址和内存空间

内存地址是一个编号，通常由16进制表示，它代表一个内存空间。在计算机中存储器的容量是以字节为基本单位的，也就是说一个内存地址代表一个字节（8bit）的存储空间，即按字节寻址。

假设一个int类型的变量x占用4个字节，则会占用4个连续的内存空间，x的内存地址则为第一个内存空间的地址。

对于32位操作系统，内存地址长度为32位，则可以表示2的32次方个内存空间（可寻址空间），即4GB；

计算：2^32 * 1B = 2^32B = 2^22 KB = 2^12 MB = 2^2 GB = 4GB

对于64位操作系统，内存地址长度为64位，则可以表示2的64次方个内存空间（16777216TB）；但实际上，主板和CPU的限制导致一般的电脑所支持的内存最大只有16GB而已。

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C程序（例如a.out）运行时会被加载入内存中，而这个内存一般分为五个分区：栈区、堆区、数据区、常量区、代码区。

动态区

动态区的内容会根据执行情况而动态变化。

栈区

栈（stack）是用户存放程序临时创建的局部变量，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且等调用结束后，函数的返回值也会被存放在回栈中。

• 栈的大小：最大大小由编译时确定，不会太大。
• 释放和分配：由编译器自动分配释放，由操作系统自动管理，无须手动管理。
• 栈区地址：由高地址向低地址生长。
• 若越界访问则会出现段错误（Segmentation Fault）
• 若多次递归调用增加栈帧导致越界则会出现栈溢出（Stack Overflow）

栈的大小可以通过ulimit命令查看：

ulimit -s # 只查看stack的大小
ulimit -a # 查看当前所有的资源限制，stack 字段，单位Kbytes

可以看到栈的大小默认为8192KB，即8M；

代码示例

int main() {
    int x =10;  // 栈存储
    int y = 20; // 栈存储
    
    return 0;
}

堆区

• 堆区存放：程序运行中动态存储分配的空间
• 堆区大小：视内存大小而定，由程序员进行分配。
• 堆区地址：由低地址向高地址生长

代码示例

int main() {
    int x =10;  // 栈分配
    int y = 20; // 栈分配
    char *p = (char*)malloc(256); //堆分配
    
    return 0;
}

静态区

静态区的内容在整个程序的生命周期内都存在，由编译器在编译的时候分配。

数据区

根据数据是否被初始化又分为：bss段与data段。

• 未初始化数据段（bss）

通常将此段称为bss段，这一名称来源于早期汇编程序的一个操作符，意思是block started by symbol（由符号开始的块）。

存放未初始化的全局变量，属于静态内存分配。在程序开始执行之前，内核将此段初始化为0。

代码示例

long sum[1000]; // 此变量存放在非初始化数据段中

int main(void) {
    // ...
    return 0;
}

• 已初始化数据段（data）

存放已初始化的全局变量和静态变量，属于静态内存分配，其内容由程序初始化。

代码示例

float PI= 3.14f; // 此变量以初值存放在初始化数据段中

int main(void) {
    // ...
    return 0;
}

常量区

常量区存放字符串常量、const修饰的全局变量。程序运行期间，常量区的内容不可以被修改。

代码区

代码区（text），又叫：正文段、代码段。

通常是用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读，某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。

栈的地址测试

#include 
#include 

int main() {
    
    int x = 10; // 栈分配
    int y = 10; // 栈分配

    int *p = &x; // 栈分配

    printf("&x = %p\n", &x);
    printf("&y = %p\n", &y);
    printf("&p = %p\n", &p);

    exit(0);
}

打印结果：

&x = 0x7ffd1ce3e33c
&y = 0x7ffd1ce3e338
&p = 0x7ffd1ce3e330

可以看到x，y，p的地址从高向低依次排列。

堆的测试地址

#include 
#include 

int main() {
    int x = 10;
    int y = 10;

    int *p = &x;
    char *q = (char *)malloc(256 * sizeof(char)); // 堆上分配

    printf("&x = %p\n", &x);
    printf("&y = %p\n", &y);
    printf("&p = %p\n", &p);
    printf("q = %p\n", q);
	
    free(q);
    exit(0);
}

打印结果：

&x = 000000000061FE14
&y = 000000000061FE10
&p = 000000000061FE08
q = 0000000000DD6930 

可以看到分配在堆区的q的地址在其他三个的低处，且距离较远。

静态区演示

#include 
// 数据区：data段
char m = 'a';
char n = 'a';

// 数据区：bss段
char arr1[10];

// 数据区：data段
char static MAX = 'a';
// 数据区：bss段
char static MIN;

void test() {
    // 栈区
    int x, y;
    
    // 常量区
    const int z = 10;
    
    // 数据区：data段
    static char a = 'a';
    // 数据区：bss段
    static char b;

    // "Hello World"在常量区
    // p在栈区
    const char *p = "Hello World";

    // "123456"和arr均在栈区，且地址相同
    char arr2[] = "123456";
}

int main(void) {
    test();
    return 0;
}