C語言程序的存儲區域

C語言編寫的程序經過編繹-鏈接后，將形成一個統一的文件，它由幾個部分組成，在程序運行時又會產生幾個其他部分，各個部分代表了不同的存儲區域：

代碼段（Code or Text）：代碼段由程序中的機器碼組成。在C語言中，程序語句進行編譯后，形成機器代碼。在執行程序的過程中，CPU的程序計數器指向代碼段的每一條代碼，并由處理器依次運行。
只讀數據段（RO data）：只讀數據段是程序使用的一些不會被更改的數據，使用這些數方式類似查表式的操作，由于這些變量不需要更改，因此只需要放置在只讀存儲器中即可。
已初始化讀寫數據段(RW data)：已初始化數據是在程序中聲明，并且具有初值的變量，這些變量需要占用存儲器的空間，在程序執行時它們需要位于可讀寫的內存區域內，并具有初值，以供程序運行時讀寫。
未初始化讀寫數據段(BSS)：未初始化讀寫據是在程序中聲明，但是沒有初始化的變量，這些變量在程序運行之前不需要占用存儲器的空間。
堆(heap)：堆內存只在程序運行時出現，一般由程序員分配和釋放。在具有操作系統的情況下，如果程序員沒釋放，操作系統可以在程序結束后回收內存。
棧(stack)：棧內存只在程序運行時出現，在函數內部使用的變量，函數的參數以及返回值將使用棧空間，棧空間由編譯器自動分配和釋放。
C語言目標文件的內存布局如圖：

代碼段，只讀數據段，讀寫數據段，未初始化數據段屬于靜態區域，而堆和棧屬于動態區域。代碼段，只讀數據段和讀寫數據段將在連接之后產生，未初始化數據段將在程序初始化的時候開辟，而堆和棧將在程序的運行中分配和釋放。

C語言程序分為映像和運行時兩種狀態，在編譯連接后形成的映像中，將只包含代碼段，只讀數據段和讀寫數據段，在程序運行之前，將動態生成未初始化數據段，在程序運行時還將動態形成堆區域和棧區域。

一般來說，在靜態的映像文件中，各個部分稱之為節（Section），而在運行時的各個部分稱之為段(Segment)，有時統稱為段。

C語言程序的段

代碼段（code）：代碼段由各個函數產生，函數的每一個語句將最終經過編繹和匯編生成二進制機器代碼（具體生生哪種體系結構的機器代碼由編譯器決定）。
只讀數據段（RO Data）：只讀數據段由程序中所使用的數據產生，該部分數據的特點是在運行中不需要改變，因此編譯器會將該數據段放入只讀的部分中。C語言中的只讀全局變量，只讀局部變量，程序中使用的常量等會在編譯時被放入到只讀數據區。注意：定義全局變量const char a[100]={"ABCDEFG"};將生成大小為100個字節的只讀數據區，并使用“ABCDEFG”初始化。如果定義為：const char a[ ]={"ABCDEFG"};則根據字符串長度生成8個字節的只讀數據段（還有'\0'），所以在只讀數據段中，一般都需要做完全的初始化。
讀寫數據段（RW Data）：讀寫數據段表示了在目標文件中一部分可以讀也可以寫的數據區，在某些場合它們又被稱為已初始化數據段，這部分數據段和代碼段，與只讀數據段一樣都屬于程序中的靜態區域，但具有可寫性的特點。通常已初始化的全局變量和局部靜態變量被放在了讀寫數據段，如: 在函數中定義static char b[ 100]={“ABCDEFG”};讀寫數據區的特點是必須在程序經過初始化，如果只定義，沒初始值，則不會生成讀寫數據區，而會定位為未初始化數據區（BSS）。如果全局變量（函數外部定義的變量）加入static修飾，這表示只能在文件內使用，而不能被其他文件使用。
未初始化數據段（BSS）：與讀寫數據段類似，它也屬于靜態數據區，但是該段中的數據沒有經過初始化。因此它只會在目標文件中被標識，而不會真正稱為目標文件中的一段，該段將會在運行時產生。未初始化數據段只在運行的初始化階段才會產生，因此它的大小不會影響目標文件的大小。
在C語言的程序中，對變量的使用還有以下幾點需要注意：

函數體中定義的變量通常是在棧上，不需要在程序中進行管理，由編繹器處理。
用malloc,calloc,realloc等分配內存的函數所分配的內存空間在堆上，程序必須保證在使用free釋放，否則會發生內存泄漏。
所有函數體外定義的是全局變量，加了static后的變量不管是在函數內部或外部都放在全局區。
使用const定義的變量將放于程序的只讀數據區。

程序中段的使用

下面用一個簡單的例子來說明C語言中變量和段的對應關系。C語言程序中的全局區（靜態區），實際對應著下述幾個段：RO Data; RW Data ; BSS Data.一般來說，直接定義的全局變量在未初始化數據區，如果該變量有初始化則是在已初始化數據區（RW Data），加上const則將放在只讀數據區。

讀寫數據段包含了憶初始化的全局變量 static char rw_1[ ]以及局部靜態變量static rw_2[ ].其差別在于編繹時，是在函人部使用的還是可以在整個文件中使用。對于rw_1[] 無論有無static 修飾，其都將被放置在讀寫數據區，只是能否被其它文件引用與否。對于后者就不一樣了，它是局部靜態變量，放置在讀寫數據區，如果沒static修飾，其意義完全改變，它將會是開辟在棧空間的局部變量，而不是靜態變量，在這里rw_1[],rw_2[]后沒具體數值，表示靜態區大小同后面字符串長度決定。

對于未初始化數據區BSS_1[100]與BSS_2[100]，其區別在于前者是全局變量，在所有文件中都可以使用；后者是局部變量，只在函數內部使用。未初始化數據段不設置后面的初始化數值，因此必須使用數值指定區域的大小，編繹器將根據大小設置BSS中需要增加的長度。

棧空間主要用于以下3數據的存儲：

1. 函數內部的動態變量
2. 函數的參數
3. 函數的返回值

棧空間是動態開辟與回收的。在函數調用過程中，如果函數調用的層次比較多，所需要的棧空間也逐漸加大，對于參數的傳遞和返回值，如果使用較大的結構體，在使用的棧空間也會比較大。

堆與棧的比較

1.申請方式

　　stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為b開辟空間。

　　heap: 需要程序員自己申請，并指明大小，在C中malloc函數，C++中是new運算符。

　　如

　　如

　　但是注意p1、p2本身是在棧中的。

2.申請后系統的響應

　　棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

　　堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序。

　　對于大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。

　　由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

3.申請大小的限制

　　棧：在Windows下，棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M(也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數)，如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

　　堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4.申請效率的比較

　　棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

　　堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片，不過用起來最方便。

　　另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是棧，而是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

5.堆和棧中的存儲內容

　　棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中后的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

　　當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

　　堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

6.存取效率的比較

　　a是在運行時刻賦值的;而b是在編譯時就確定的;但是，在以后的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。

　　比如：

　　對應的匯編代碼

　　第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，再根據edx讀取字符，顯然慢了。

7.小結

　　堆和棧的主要區別由以下幾點：

　　（1）、管理方式不同;

　　（2）、空間大小不同;

　　（3）、能否產生碎片不同;

　　（4）、生長方向不同;

　　（5）、分配方式不同;

　　（6）、分配效率不同;

　　管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制;對于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。

　　空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M。當然，這個值可以修改。

　　碎片問題：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進后出的隊列，他們是如此的一一對應，以至于永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構。

　　生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內存地址增加的方向;對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內存地址減小的方向增長。

　　分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由mallo函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

　　分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法(具體的算法可以參考數據結構/操作系統)在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間(可能是由于內存碎片太多)，就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然后進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

　　從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片;由于沒有專門的系統支持，效率很低;由于可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址， EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

　　雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。

　　無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生(除非你是故意使其越界)，因為越界的結果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果。