程序内存空间（代码段、数据段、堆栈段）

在冯诺依曼的体系结构中，一个进程必须有：代码段，堆栈段，数据段。

进程的虚拟地址空间图示如下：

堆栈段：

　　1. 为函数内部的局部变量提供存储空间。

　　2. 进行函数调用时，存储“过程活动记录”。

　　3. 用作暂时存储区。如计算一个很长的算术表达式时，可以将部分计算结果压入堆栈。

数据段（静态存储区）：

　　包括BSS段（Block Started by Symbol）的数据段。BSS段存储未初始化或初始化为0的全局变量、静态变量，具体体现为一个占位符，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。数据段存储经过初始化的全局和静态变量。

#define DEBUG "debug"  int space[1024][1024];
int data = 1;
int no_data = 0;  int main()
{  char *a = DEBUG;  return 1;
}

　　使用nm查看后

0000000000600660 d _DYNAMIC
00000000006007f8 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
0000000000400578 R _IO_stdin_used  w _Jv_RegisterClasses
0000000000600640 d __CTOR_END__
0000000000600638 d __CTOR_LIST__
0000000000600650 D __DTOR_END__
0000000000600648 d __DTOR_LIST__
0000000000400630 r __FRAME_END__
0000000000600658 d __JCR_END__
0000000000600658 d __JCR_LIST__
0000000000600820 A __bss_start
0000000000600818 D __data_start
0000000000400530 t __do_global_ctors_aux
00000000004003e0 t __do_global_dtors_aux
0000000000400580 R __dso_handle  w __gmon_start__
0000000000600634 d __init_array_end
0000000000600634 d __init_array_start
0000000000400490 T __libc_csu_fini
00000000004004a0 T __libc_csu_init  U __libc_start_main@@GLIBC_2.2.5
0000000000600820 A _edata
0000000000a00840 A _end
0000000000400568 T _fini
0000000000400358 T _init
0000000000400390 T _start
00000000004003bc t call_gmon_start
0000000000600820 b completed.6347
000000000060081c D data
0000000000600818 W data_start
0000000000600828 b dtor_idx.6349
0000000000400450 t frame_dummy
0000000000400474 T main
0000000000600830 B no_data
0000000000600840 B space

　　可以看到变量data被分配在data段，而被初始化为0的no_data被分配在了BSS段。

　　.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。

　　注意：.data和.bss在加载时合并到一个Segment（Data Segment）中，这个Segment是可读可写的。

代码段：

　　又称为文本段。存储可执行文件的指令；也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

　　.rodata段：存放只读数据，比如printf语句中的格式字符串和开关语句的跳转表。也就是你所说的常量区。例如，全局作用域中的 const int ival = 10，ival存放在.rodata段；再如，函数局部作用域中的printf("Hello world %d\n", c);语句中的格式字符串"Hello world %d\n"，也存放在.rodata段。

　　但是注意并不是所有的常量都是放在常量数据段的，其特殊情况如下：

　　1）有些立即数与指令编译在一起直接放在代码段。

int main()
{  int a = 10;  return 1;
}

　　a是常量，但是它没有被放入常量区，而是在指令中直接通过立即数赋值

　　2）对于字符串常量，编译器会去掉重复的常量，让程序的每个字符串常量只有一份。

char *str = "123456789";
char *str1 = "helloworld";  int main()
{  char* a = "helloworld";  char b[10] = "helloworld";  return 1;
}

　　汇编代码如下：

                .file   "hello.c"
.globl str  .section        .rodata
.LC0:  .string "123456789"  .data  .align 8  .type   str, @object  .size   str, 8
str:  .quad   .LC0
.globl str1  .section        .rodata
.LC1:  .string "helloworld"  .data  .align 8  .type   str1, @object  .size   str1, 8
str1:  .quad   .LC1  .text
.globl main  .type   main, @function
main:
.LFB0:  .cfi_startproc  pushq   %rbp  .cfi_def_cfa_offset 16  .cfi_offset 6, -16  movq    %rsp, %rbp  .cfi_def_cfa_register 6  movq    $.LC1, -8(%rbp)  movl    $1819043176, -32(%rbp)  movl    $1919907695, -28(%rbp)  movw    $25708, -24(%rbp)  movl    $1, %eax  leave  .cfi_def_cfa 7, 8  ret  .cfi_endproc
.LFE0:  .size   main, .-main  .ident  "GCC: (GNU) 4.4.6 20110731 (Red Hat 4.4.6-3)"  .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

　　可以看到str1和a同时指向.rodata段中同一个LC1

　　3）用数组初始化的字符串常量是没有放入常量区的。

　　4）用const修饰的全局变量是放入常量区的，但是使用const修饰的局部变量只是设置为只读起到防止修改的效果，没有放入常量区。
　　5）有些系统中rodata段是多个进程共享的，目的是为了提高空间的利用率。

　　注意：程序加载运行时，.rodata段和.text段通常合并到一个Segment（Text Segment）中，操作系统将这个Segment的页面只读保护起来，防止意外的改写。

堆：

　　就像堆栈段能够根据需要自动增长一样，数据段也有一个对象，用于完成这项工作，这就是堆。堆区域是用来动态分配的内存空间，用 malloc 函数申请的，用free函数释放。calloc、realloc和malloc类似：前者返回指针的之前把分配好的内存内容都清空为零；后者改变一个指针所指向的内存块的大小，可以扩大和缩小，它经常把内存拷贝到别的地方然后将新地址返回。

栈、堆辨析：

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）：由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。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。

程序示例：

1、举个例子说明各种变量存放在什么区：

#include <stdlib.h>int a=123; //a在全局已初始化数据区 char *p1; //p1在BSS区（未初始化全局变量） int main()
{int b; //b为局部变量，在栈区 char s[]="abc"; //s为局部数组变量，在栈区 //"abc"为字符串常量，存储在已初始化数据区 char *p1,*p2; //p1,p2为局部变量，在栈区 char *p3="123456"; //p3在栈区，"123456"在常量区(.rodata)static int c=456; //c为局部（静态）数据，在已初始化数据区 //静态局部变量会自动初始化(因为BSS区自动用0或NULL初始化)p1=(char*)malloc(10); //分配得来的10个字节的区域在堆区 p2=(char*)malloc(20); //分配得来的20个字节的区域在堆区 free(p1);free(p2);p1=NULL; //显示地将p1置为NULL，避免以后错误地使用p1p2=NULL;
}

2、我们再写一个程序，输出各变量的内存空间：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>extern void afunc(void);extern etext,edata,end;int bss_var;//未初始化全局变量存储在BSS段int data_var=42;//初始化全局存储在数据段#define SHW_ADR(ID,I) printf("The %s is at address: %8x\n",ID,&I);//打印地址宏int main(int argc,char *argv[])
{char *p,*b,*nb;printf("etext address: %8x\tedata address: %8x\tend address: %8x\t\n",&etext,&edata,&end);SHW_ADR("main",main);//查看代码段main函数位置SHW_ADR("afunc",afunc);//查看代码段afunc函数位置printf("\nbss Locatoin:\n");SHW_ADR("bss_var",bss_var);//查看BSS段变量地址printf("\ndata Location:\n");SHW_ADR("data_var",data_var);//查看数据段变量地址printf("\nStack Loation:\n");afunc();printf("\n");p=(char*)alloca(32);//从栈中分配空间if(p!=NULL){SHW_ADR("string p in stack start",*p);SHW_ADR("string p in stack end",*(p+32*sizeof(char)));}b=(char*)malloc(32*sizeof(char));//从堆中分配空间nb=(char*)malloc(16*sizeof(char));//从堆中分配空间printf("\nHeap Location:\n");SHW_ADR("allocated heap start",*b);//已分配的堆空间的起始地址SHW_ADR("allocated heap end",*(nb+16*sizeof(char)));//已分配的堆空间的结束地址printf("\np,b and nb in stack\n");SHW_ADR("p",p);//显示栈中数据p的地址SHW_ADR("b",b);//显示栈中数据b的地址SHW_ADR("nb",nb);//显示栈中数据nb的地址free(b);//释放申请的空间，以避免内存泄露free(nb);
}void afunc(void)
{static int level=0;//初始化为0的静态数据存储在BSS段中int stack_var;//局部变量，存储在栈区if(++level==5)return;SHW_ADR("stack_var in stack section",stack_var);SHW_ADR("leval in bss section",level);afunc();
}/* Output
etext address:  80488bf edata address:  8049b48 end address:  8049b58
The main is at address:  80485be
The afunc is at address:  8048550bss Locatoin:
The bss_var is at address:  8049b54data Location:
The data_var is at address:  8049b40Stack Loation:
The stack_var in stack section is at address: ff9cdf80
The level in bss section is at address:  8049b50
The stack_var in stack section is at address: ff9cdf50
The level in bss section is at address:  8049b50
The stack_var in stack section is at address: ff9cdf20
The level in bss section is at address:  8049b50
The stack_var in stack section is at address: ff9cdef0
The level in bss section is at address:  8049b50The string p in stack start is at address: ff9cdf70
The string p in stack end is at address: ff9cdf90Heap Location:
The allocated heap start is at address:  9020078
The allocated heap end is at address:  90200c8p,b and nb in stack
The p is at address: ff9cdfac
The b is at address: ff9cdfa8
The nb is at address: ff9cdfa4
*/

内存管理函数：
这里插入一段对void*的解释：
void*这不叫空指针,这叫无确切类型指针.这个指针指向一块内存,却没有告诉程序该用何种方式来解释这片内存.所以这种类型的指针不能直接进行取内容的操作.必须先转成别的类型的指针才可以把内容解释出来.

还有'\0',这也不是空指针所指的内容.'\0'是表示一个字符串的结尾而已,并不是NULL的意思.

真正的空指针是说,这个指针没有指向一块有意义的内存,比如说:
char* k;
这里这个k就叫空指针.我们并未让它指向任意内存.
又或者
char* k = NULL;
这里这个k也叫空指针,因为它指向NULL也就是0,注意是整数0,不是'\0'.

一个空指针我们也无法对它进行取内容操作.
空指针只有在真正指向了一块有意义的内存后,我们才能对它取内容.也就是说要这样
k = "hello world!";
这时k就不是空指针了.

void *malloc(size_t size)
(typedef unsigned int size_t;)
malloc在内存的动态存储区中分配一个长度为size字节的连续空间，其参数是无符号整型，返回一个指向所分配的连续空间的起始地址的指针。分配空间不成功（如内存不足）时返回一个NULL指针。

void free(void *ptr)
free释放掉内存空间。

void *realloc(void *ptr,size_tsize)
当需要扩大一块内存空间时，realloc试图直接从堆的当前内存段后面获得更多的内在空间，并返回原指针;如果空间不够就使用第一个能够满足这个要求的内存块，并将当前数据复制到新位置，释放原来的数据块;如果申请空间失败，返回NULL。

void *calloc(size_t nmemb, size_t size)
calloc是malloc的简单包装，它把动态分配的内存空间进行初始化，全部清0。此函数的实现描述：
void *calloc(size_t nmemb, size_t size)
{
void *p;

size_t total;
total=nmemb*size;

p=malloc(total);
if(p!=NULL)//申请空间

memset(p,'\0',total);//初始化\0

return p;
}

void *alloca(size_t size);
alloca在栈中分配size个内存空间（函数返回时自动释放掉空间，无需程序员手动释放），并将空间初始化为0。

Reference：

https://en.wikipedia.org/wiki/Data_segment

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