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老生综合详谈C语言关键字、内存分配、数据存储

落鹤生 发布于 2013-12-17 23:09 点击:次 
进程(执行的程序)会占用一定数量的内存,它或是用来存放从磁盘载入的程序代码,或是存放取自用户输入的数据等等。不过进程对这些内存的管理方式因内存用 途 不一而不尽相同,有些内存是事先静态分配和统一回收的,而有些却是按需要动态分配和回收的。对任何一个普通进
TAG: 内存管理  数据存储  

进程虚拟地址空间的5个段示意图


图片1

 

       进程(执行的程序)会占用一定数量的内存,它或是用来存放从磁盘载入的程序代码,或是存放取自用户输入的数据等等。不过进程对这些内存的管理方式因内存用 途 不一而不尽相同,有些内存是事先静态分配和统一回收的,而有些却是按需要动态分配和回收的。对任何一个普通进程来讲,它都会涉及到5种不同的数据段。

Linux进程的五个段

下面我们来简单归纳一下进程对应的内存空间中所包含的5种不同的数据区都是干什么的。

BSS段:BSS段(bss segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。

数据段:数据段(data segment)通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

代码段:代码段(code segment/text segment)通常是指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。在代码段中,也有可能包含一些只读的常数变量,例如字符串常量等。

堆(heap):堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段,它的大小并不固定,可动态扩张或缩减。当进程调用new、malloc等函数分配内存时,新分配的内存就被动态添加到堆上(堆被扩张);当利用free等函数释放内存时,被释放的内存从堆中被剔除(堆被缩减),若程序员不释放,则会有内存泄漏,系统会不稳定,Windows系统在该进程退出时OS释放,Linux则只在整个系统关闭时OS才去释放(参考Linux内存管理)。

栈(stack):栈又称堆栈, 是用户存放程序临时创建的局部变量,也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量(但不包括static声明的变量,static意味着在数据段中存放变 量)。除此以外,在函数被调用时,其参数也会被压入发起调用的进程栈中,并且待到调用结束后,函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进先出特点,所以 栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲,我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

它是由操作系统分配的,内存的申请与回收都由OS管理。

常量区(constant segment)常量字符串就是放在这里的,const char *p = "hello world"; (注意:const只是个编译时概念,不影响编译后的环境,其定义的变量与常量是不同的概念) "hello world" 是具有静态存储期的对象,位于常量区,不能做修改,其生存期是整个程序的运行期间常量所有的常量放在常量区,进程退出时由OS释放

PS:

全局的未初始化变量存在于.bss段中,具体体现为一个占位符;全局的已初始化变量存 于.data段中;而函数内的自动变量都在栈上分配空间。.bss是不占用.exe文件空间的,其内容由操作系统初始化(清零);而.data却需要占 用,其内容由程序初始化,因此造成了上述情况。

bss段(未手动初始化的数据)并不给该段的数据分配空间,只是记录数据所需空间的大小。
data(已手动初始化的数据)段则为数据分配空间,数据保存在目标文件中。 数据段包含经过初始化的全局变量以及它们的值。BSS段的大小从可执行文件中得到 ,然后链接器得到这个大小的内存块,紧跟在数据段后面。当这个内存区进入程序的地址空间后全部清零。包含数据段和BSS段的整个区段此时通常称为数据区。

需要注意的是,代码段和数据段之间有明确的分隔,但是数据段和堆栈段之间没有,而且栈是向下增长,堆是向上增长的,因此理论上来说堆和栈会“增长到一起”,但是操作系统会防止这样的错误发生,所以不用过分担心。

 

static关键字

1. 全局静态变量

   在全局变量之前加上关键字static,全局变量就被定义成为一个全局静态变量。

   1)内存中的位置:静态存储区(静态存储区在整个程序运行期间都存在)

   2)初始化:未经初始化的全局静态变量会被程序自动初始化为0(自动对象的值是任意的,除非他被显示初始化)

   3)作用域:全局静态变量在声明他的文件之外是不可见的。准确地讲从定义之处开始到文件结尾。

看下面关于作用域的程序:

  1. //teststatic1.c 
  2. void display(); 
  3. extern int n; 
  4. int main() 
  5.   n = 20; 
  6.   printf("%dn",n); 
  7.   display(); 
  8.   return 0; 
  9.   
  10. //teststatic2.c 
  11. static int n;   //定义全局静态变量,自动初始化为0,仅在本文件中可见 
  12. void display() 
  13.   n++; 
  14.   printf("%dn",n); 

文件分别编译通过,但link的时候teststatic2.c中的变量n找不到定义,产生错误。
 
定义全局静态变量的好处:

<1>不会被其他文件所访问,修改

<2>其他文件中可以使用相同名字的变量,不会发生冲突。

2. 局部静态变量

  在局部变量之前加上关键字static,局部变量就被定义成为一个局部静态变量。

  1)内存中的位置:静态存储区

  2)初始化:未经初始化的全局静态变量会被程序自动初始化为0(自动对象的值是任意的,除非他被显示初始化)

  3)作用域:作用域仍为局部作用域,当定义它的函数或者语句块结束的时候,作用域随之结束。

  注:当static用来修饰局部变量的时候,它就改变了局部变量的存储位置,从原来的栈中存放改为静态存储区。但是局部静态变量在离开作用域之后,并没有被销毁,而是仍然驻留在内存当中,直到程序结束,只不过我们不能再对他进行访问。

      当static用来修饰全局变量的时候,它就改变了全局变量的作用域(在声明他的文件之外是不可见的),但是没有改变它的存放位置,还是在静态存储区中。

3. 静态函数

  在函数的返回类型前加上关键字static,函数就被定义成为静态函数。

  函数的定义和声明默认情况下是extern的,但静态函数只是在声明他的文件当中可见,不能被其他文件所用。

  例如:

  1. //teststatic1.c 
  2. void display(); 
  3. static void staticdis(); 
  4. int main() 
  5.   display(); 
  6.   staticdis(); 
  7.   renturn 0; 
  8.   
  9. //teststatic2.c 
  10. void display() 
  11.   staticdis(); 
  12.   printf("display() has been called n"); 
  13.   
  14. static void staticdis() 
  15.   printf("staticDis() has been calledn"); 

文件分别编译通过,但是连接的时候找不到函数staticdis()的定义,产生错误。
 实际上编译也未过,vc2003报告teststatic1.c中静态函数staticdis已声明但未定义;
定义静态函数的好处:

<1> 其他文件中可以定义相同名字的函数,不会发生冲突

<2> 静态函数不能被其他文件所用。
 
存储说明符auto,register,extern,static,对应两种存储期:自动存储期和静态存储期。
 
auto和register对应自动存储期。具有自动存储期的变量在进入声明该变量的程序块时被建立,它在该程序块活动时存在,退出该程序块时撤销。

关键字extern和static用来说明具有静态存储期的变量和函数。用static声明的局部变量具有静态存储持续期(static storage duration),或静态范围(static extent)。虽然他的值在函数调用之间保持有效,但是其名字的可视性仍限制在其局部域内。静态局部对象在程序执行到该对象的声明处时被首次初始化。

由于static变量的以上特性,可实现一些特定功能。

1. 统计次数功能

声明函数的一个局部变量,并设为static类型,作为一个计数器,这样函数每次被调用的时候就可以进行计数。这是统计函数被调用次数的最好的办法,因为这个变量是和函数息息相关的,而函数可能在多个不同的地方被调用,所以从调用者的角度来统计比较困难。代码如下:

  1. void count(); 
  2. int main() 
  3.  int i; 
  4.  for (i = 1; i <= 3; i++) 
  5.   count(); 
  6.   return 0; 
  7. void count() 
  8.  static num = 0; 
  9.  num++; 
  10.  printf(" I have been called %d",num,"timesn"); 

输出结果为:
I have been called 1 times.
I have been called 2 times.
I have been called 3 times.

参考资料:

1. 《数据段、代码段、堆栈段、BSS段的区别》http://www.rosoo.net/a/201310/16784.html

2. 《c语言中static 用法总结》http://www.rosoo.net/a/201310/16785.html

(xuyunzhang)
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本文出处:CSDN博客 作者:xuyunzhang
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