C语言程序里全局变量、局部变量、堆、栈等概念

一、 存储区域的介绍

1.1 内存分配

1. 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。
2. 在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
3. 从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

相关介绍来源：C语言程序的内存分配方式

1.2 变量的内存分配

栈区（stack）：指那些由编译器在需要的时候分配，不需要时自动清除的变量所在的储存区，如函数执行时，函数的形参以及函数内的局部变量分配在栈区，函数运行结束后，形参和局部变量去栈（自动释放）。栈内存分配运算内置与处理器的指令集中，效率高但是分配的内存空间有限。

堆区（heap）：指哪些由程序员手动分配释放的储存区，如果程序员不释放这块内存，内存将一直被占用，直到程序运行结束由系统自动收回，c语言中使用malloc，free申请和释放空间。

静态储存区（static）：全局变量和静态变量的储存是放在一块的，其中初始化的全局变量和静态变量在一个区域，这块空间当程序运行结束后由系统释放。

常量储存区（const）：常量字符串就是储存在这里的，如“ABC”字符串就储存在常量区，储存在常量区的只读不可写。const修饰的全局变量也储存在常量区，const修饰的局部变量依然在栈上。

程序代码区：存放源程序的二进制代码。

引自：C语言：内存分配

1.3 图解

图片来源：sw-at ，需要科学上网才可以访问。

补充：

• 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，但自由性差，最大空间不大。

• Heap： 堆，自由申请的空间，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，但自由性大，可用空间大。
  每个线程都会有自己的栈，但是堆空间是共用的。

引自：C/C++程序内存的各种变量存储区域和各个区域详解

我们以下将按着图解以及补充信息进行相关编程验证。

二、 在ubuntu系统中编程并进行验证

2.1 源码

• main.c

#include 
#include 

int k1 = 1;        //已初始化全局int型变量k1
int k2;            //未初始化全局int型变量k2
static int k3 = 2; //已初始化静态全局int型变量k3
static int k4;     //未初始化静态全局int型变量k4

int test()
{
	int j1;
    int j2;
    printf("未初始化局部int型变量j1       ：%p\n", &j1);
    printf("未初始化局部int型变量j2       ：%p\n", &j2);
return 0;
}
int main()
{
    static int m1 = 2;      //已初始化静态局部int型变量m1
    static int m2;          //未初始化静态局部int型变量m2
    int i1;              //未初始化局部int型变量i1
    int i2;				//未初始化局部int型变量i2
    char *p;                //未初始化局部char型指针变量p
    char str[10] = "hello"; //已初始化局部char型数组str
    char *var1 = "123456";  //已初始化局部char型指针变量var1
    char *var2 = "abcdef";  //已初始化局部char型指针变量var2
    int *p1 = malloc(4);    //已初始化局部int型指针变量p1
    int *p2 = malloc(4);    //已初始化局部int型指针变量p2


    printf("栈区-变量地址\n");
    printf("未初始化局部int型变量i        ：%p\n", &i1);
    printf("未初始化局部int型变量i2       ：%p\n", &i2);
    printf("未初始化局部char型指针变量p   ：%p\n", &p);
    printf("已初始化局部char型数组str     ：%p\n", str);
    test();

    printf("\n堆区-动态申请地址\n");
    printf("已初始化局部int型指针变量p1   ：%p\n", p1);
    printf("已初始化局部int型指针变量p2   ：%p\n", p2);

    printf("\n.bss段地址\n");
    printf("未初始化全局int型变量 k2      ：%p\n", &k2);
    printf("未初始化静态全局int型变量k4   ：%p\n", &k4);
    printf("未初始化静态局部int型变量m2   ：%p\n", &m2);

    printf("\n.data段地址\n");
    printf("已初始化全局int型变量k1       ：%p\n", &k1);
    printf("已初始化静态全局int型变量k3   ：%p\n", &k3);
    printf("已初始化静态局部int型变量m1   ：%p\n", &m1);

    printf("\n常量区地址\n");
    printf("已初始化局部char型指针变量var1：%p\n", var1);
    printf("已初始化局部char型指针变量var2：%p\n", var2);

    printf("\n代码区地址\n");
    printf("程序代码区main函数入口地址    ：%p\n", &main);

    free(p1);
    free(p2);
    
    return 0;
}

2.2 结果

2.3 结果分析

查看相关资料解释说在一个函数中难以查看栈的地址分配高低，所以这里用了两个函数进行了验证。

可以从上图可以得出栈区内存地址由高到低方向生长，堆区内存地址由低到高方向生长。而且整个程序的内存也是从高到低的地址进行分配的。

三、 在Keil中针对stm32系统进行编程进行验证

3.1 详细代码

#include "led.h"
#include "delay.h"
//#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include 
#include 

int k1 = 1;        //已初始化全局int型变量k1
int k2;            //未初始化全局int型变量k2
static int k3 = 2; //已初始化静态全局int型变量k3
static int k4;     //未初始化静态全局int型变量k4

 int main(void)
 {	
    delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
    uart_init(115200);	 //串口初始化为115200
    LED_Init();			     //LED端口初始化
    //KEY_Init();          //初始化与按键连接的硬件接口
    while(1)
    {
        static int m1 = 2;      //已初始化静态局部int型变量m1
        static int m2;          //未初始化静态局部int型变量m2
        int i1;              //未初始化局部int型变量i1
        int i2;				//未初始化局部int型变量i2
        char *p;                //未初始化局部char型指针变量p
        char str[10] = "hello"; //已初始化局部char型数组str
        char *var1 = "123456";  //已初始化局部char型指针变量var1
        char *var2 = "abcdef";  //已初始化局部char型指针变量var2
        int *p1 = malloc(4);    //已初始化局部int型指针变量p1
        int *p2 = malloc(4);    //已初始化局部int型指针变量p2


        printf("栈区-变量地址\r\n");
        printf("未初始化局部int型变量i1       :0x%p\r\n", &i1);
        printf("未初始化局部int型变量i2       :0x%p\r\n", &i2);
        printf("未初始化局部char型指针变量p   :0x%p\r\n", &p);
        printf("已初始化局部char型数组str     :0x%p\r\n", str);
        //test();

        printf("\n堆区-动态申请地址\r\n");
        printf("已初始化局部int型指针变量p1   :0x%p\r\n", p1);
        printf("已初始化局部int型指针变量p2   :0x%p\r\n", p2);

        printf("\n.bss段地址\r\n");
        printf("未初始化全局int型变量k2       :0x%p\r\n", &k2);
        printf("未初始化静态全局int型变量k4   :0x%p\r\n", &k4);
        printf("未初始化静态局部int型变量m2   :0x%p\r\n", &m2);

        printf("\n.data段地址\r\n");
        printf("已初始化全局int型变量k1       :0x%p\r\n", &k1);
        printf("已初始化静态全局int型变量k3   :0x%p\r\n", &k3);
        printf("已初始化静态局部int型变量m1   :0x%p\r\n", &m1);

        printf("\n常量区地址\r\n");
        printf("已初始化局部char型指针变量var1:0x%p\r\n", var1);
        printf("已初始化局部char型指针变量var2:0x%p\r\n", var2);

        printf("\n代码区地址\r\n");
        printf("程序代码区main函数入口地址    :0x%p\r\n", &main);

        free(p1);
        free(p2);        
    }
}

3.2 结果

其中Code就是代码占用大小，RO-data是只读常量、RW-data是已初始化的可读可写变量，ZI-data是未初始化的可读可写变量。

串口显示XCOM中出现乱码，通过分析和检查之后发现是软件版本过低，导致快速输出串口信息时出现乱码现象。但并不影响分析。

3.3结果分析

四、 总结

通过对C语言程序里全局变量、局部变量、堆、栈等概念的重温以及在不同平台进行编程验证，熟悉掌握了C语言中相关概念，并对整体的内存地址分配由高到低，以及栈区内存地址由高到低方向生长，堆区内存地址由低到高方向生长进行了验证。同时也非常感谢身边老师同学对我的帮助。

五、 参考资料

[1]C语言程序编译后内存地址的分配
[2]CSDN-问答
[3]C/C++程序内存的各种变量存储区域和各个区域详解