文章目录

实验内容
一、基本概念
- （一）、全局变量
- （二）、局部变量
- （三）、堆和栈
二、编程验证
- （一）、基于Ubuntu用Linux系统编写C程序
- （二）、基于STM32用Keil编写C程序
三、归纳分析
四、总结
五、参考文献

实验内容

实验内容：编写一个C程序，重温全局变量、局部变量、堆、栈等概念，在Ubuntu(x86)系统和STM32(Keil)中分别进行编程、验证（STM32 通过串口printf 信息到上位机串口助手) 。归纳出Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，进行对比分析。

一、基本概念

（一）、全局变量

1.全局变量，也称外部变量，它是在函数外部定义的变量。它不属于哪一个函数，而是属于一个源程序文件，其作用域是整个源程序。
2.几乎程序中的所有函数都能使用全局变量，客观上全局变量就起到了在函数间传递数据的作用，甚至可以减少形参和实参的数量。当然在享用它的好处时，也要慎重，避免全局变量过多带来的降低函数通用性及存储空间的浪费。
3.对于全局变量还有以下几点说明：
1）、全局变量从程序运行起即占据内存，在程序整个运行过程中可随时访问，程序退出时释放内存。与之对应的局部变量在进入语句块时获得内存，仅能由语句块内的语句访问，退出语句块时释放内存，不再有效。
2）、局部变量定义后不会自动初始化，除非程序员指定初值。全局变量在程序员不指定初值的情况下自动初始化为零。
3）、在同一源文件中，允许全局变量和局部变量同名。在局部变量的作用域内，全局变量不起作用。

（二）、局部变量

1.局部变量：也称内部变量，是指在一个函数内部或复合语句内部定义的变量。
2.局部变量的生存期：从函数被调用的时刻算起到函数返回调用处的时刻结束。
3.局部变量的作用域是定义该变量的函数或定义该变量的复合语句。也就是说，局部变量只在定义它的函数或复合语句范围内有效，只能在定义它的函数或复合语句内才能使用它们。

（三）、堆和栈

1.栈区（stack）— 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2.堆区（heap）— 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
3.堆栈是内存中的一个连续的块。一个叫堆栈指针的寄存器（SP）指向堆栈的栈顶。堆栈的底部是一个固定地址。堆栈有一个特点就是，后进先出。也就是说，后放入的数据第一个取出。它支持两个操作，PUSH和POP。PUSH是将数据放到栈的顶端，POP是将栈顶的数据取出。
4.在高级语言中，程序函数调用、函数中的临时变量都用到堆栈。为什么呢？因为在调用一个函数时，我们需要对当前的操作进行保护，也为了函数执行后，程序可以正确的找到地方继续执行，所以参数的传递和返回值也用到了堆栈。通常对局部变量的引用是通过给出它们对SP的偏移量来实现的。另外还有一个基址指针（FP，在Intel芯片中是BP），许多编译器实际上是用它来引用本地变量和参数的。通常，参数的相对FP的偏移是正的，局部变量是负的。

5.当程序中发生函数调用时，计算机做如下操作：首先把参数压入堆栈；然后保存指令寄存器(IP)中的内容，做为返回地址(RET)；第三个放入堆栈的是基址寄存器(FP)；然后把当前的栈指针(SP)拷贝到FP，做为新的基地址；最后为本地变量留出一定空间，把SP减去适当的数值。
6.在函数体中定义的变量通常是在栈上，用malloc, calloc, realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。在所有函数体外定义的是全局量，加了static修饰符后不管在哪里都存放在全局区（静态区），在所有函数体外定义的static变量表示在该文件中有效，不能extern到别的文件用；在函数体内定义的static表示只在该函数体内有效。另外，函数中的"adgfdf"这样的字符串存放在常量区。
7.对比：
1）、性能
栈：栈存在于RAM中。栈是动态的，它的存储速度是第二快的。
堆：堆位于RAM中，是一个通用的内存池。所有的对象都存储在堆中。
2）、申请方式
stack【栈】: 由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。
heap【堆】：需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new运算符如p2= (char *)malloc(10); 但是注意：p1、p2本身是在栈中的。
3）、申请后系统的响应
栈【stack】：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
堆【heap】：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序；另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
4）、申请大小的限制
栈【stack】：在Windows下，栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
堆【heap】：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
5）、申请效率的比较
栈【stack】：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆【heap】：是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来最方便。另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。
6）、堆和栈中的存储内容
栈【stack】：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆【heap】：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。
7）、存取效率的比较 char s1[] = “aaaaaaaaaaaaaaa”; char *s2 = “bbbbbbbbbbbbbbbbb”; aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

二、编程验证

（一）、基于Ubuntu用Linux系统编写C程序

1.在终端命令行中创建一个 main.c 文件

gedit main.c

2.写入代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{printf("hello");printf("%d",a);printf("\n");
}int main( )
{   //定义局部变量int a=2;static int inits_local_c=2, uninits_local_c;int init_local_d = 1;output(a);char *p;char str[10] = "lyy";//定义常量字符串char *var1 = "1234567890";char *var2 = "qwertyuiop";//动态分配int *p1=malloc(4);int *p2=malloc(4);//释放free(p1);free(p2);printf("栈区-变量地址\n");printf("                a：%p\n", &a);printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);printf("                p：%p\n", &p);printf("              str：%p\n", str);printf("\n堆区-动态申请地址\n");printf("                   %p\n", p1);printf("                   %p\n", p2);printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");printf("\n.bss段\n");printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);printf("\n.data段\n");printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);printf("\n文字常量区\n");printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);printf("\n代码区\n");printf("程序区地址       ：%p\n",&main);printf("函数地址         ：%p\n",&output);return 0;
}

3.进行编译

gcc main.c -o main

4.执行程序

./main

5.运行结果

（二）、基于STM32用Keil编写C程序

1.创建工程
这里我给大家提供一个工程文件，大家自行下载即可

链接：https://pan.baidu.com/s/1IjFyR5RdYeF_CMmDgTVv9w
提取码：6666

main.c代码如下：

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"  //添加 bsp_usart.h 头文件int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;void output(int a)
{printf("hello");printf("%d",a);printf("\n");
}int main(void)
{   //定义局部变量int a=2;static int inits_local_c=2, uninits_local_c;int init_local_d = 1;char *p;char str[10] = "lyy";//定义常量字符串char *var1 = "1234567890";char *var2 = "qwertyuiop";//动态分配int *p1=malloc(4);int *p2=malloc(4);USART_Config();//串口初始化output(a);//释放free(p1);free(p2);printf("栈区-变量地址\n");printf("                a：%p\n", &a);printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);printf("                p：%p\n", &p);printf("              str：%p\n", str);printf("\n堆区-动态申请地址\n");printf("                   %p\n", p1);printf("                   %p\n", p2);printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");printf("\n.bss段\n");printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);printf("\n.data段\n");printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);printf("\n文字常量区\n");printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);printf("\n代码区\n");printf("程序区地址       ：%p\n",&main);printf("函数地址         ：%p\n",&output);return 0;
}

2.打开工程文件

3.编译运行

4.串口烧录

不会烧录的请参考我往期博客

5.打开串口助手，按一下 RESET 键，查看结果

三、归纳分析

对比分析基于Ubuntu(x86)系统和STM32(Keil)分别编写C程序的结果

基于Ubuntu(x86)系统：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。

基于STM32(Keil)：stm32的栈区的地址值是从上到下减小的，堆区则是从上到下增长的。从每个区来看，地址值是从上到下逐步减小的，即栈区的地址是高地址，代码区的地址是处于低地址。

四、总结

通过本次实验我重温全局变量、局部变量、堆、栈等概念，并亲自动手编程查看了Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，通过对比分析了解并掌握了其相关规律。

五、参考文献

https://www.cnblogs.com/forcheryl/p/3971526.html
https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/110308101
https://blog.csdn.net/ssj925319/article/details/110727925

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