C语言代码组成 - BSS、Data、Stack、Heap、Code、Const

Python017

C语言代码组成 - BSS、Data、Stack、Heap、Code、Const,第1张

一段C语言经过编译连接后,成为一段可以运行的代码,可运行的代码可以分为以下四个部分组成:全局变量/静态变量区、堆、栈、代码区。其中全局变量/静态变量区又分为未初始化变量区和初始化变量区,代码区又分为代码和常量区。即汇总下来,代码可以分为6部分组成,包括:BSS区(未初始化的全局变量/静态变量区)、Data区(实始化的全局变量区)、Stack区(栈区)、heap区(堆区)、Code区(代码区)、const区(常量区)。

一、BSS区和Data区

C语言编程中定义的全局变量、静态局部变量,就是分配在全局变量/静态变量区域,但是为什么又要分为BSS区域和Data区域呢?其实我们在定义全局或者静态变量区,有时我会对它赋初始值,有的又不会赋初始化,比如我们定义的全局变量,初始化的赋值,是怎么样写到变量区域中的,我们定义的静态局部变量,在定义时初始化后,为什么后面函数被调用,又不会再初始化呢?这个局部静态变量是怎么样实始化的,什么时候初始化的?

如果分析编译后的汇编代码,就会发现在代码运行起来后,会有一段给变量赋值的指令,这一段代码,不是我们C代码对应的汇编,而是C编译器生成的汇编译代码,这段代码的作用就是给初始化了的静态变量和全局变量进行初始化。这也是为什么全局/静态变量区域,要分BSS和Data的原因。

二、Stack区

栈是一种先进后出的数据结构,这种数据结构正好完美的匹配函数调用时的模型过程,比如函数f(a)在运行过程中调用函数f(b),f(a)在运行过程中的变量就是分配在栈中,通过在调用f(b)前,会将代码中用到的R0~Rn寄存器的值保存到栈中,同时将函数的传入参数写入到栈中,然后进入f(b)函数,函数f(b)的变量b分配在栈中,当函数运行完毕后,释放变量b,将栈中存放的f(a)函数的运行的R0~Rn寄存器值恢复到寄存器中,同时f(b)的返回结果存入到栈中,这样f(a)继续运行。当一个函数运行完毕后,它在栈中分配的临时变量会全部释放。

对于中断也是一样的,中断发生时,也是一个函数打断了另一个函数的运行,这种现场的保存(即寄存器的值),都是通过栈来完成的。所以栈的作用有:

三、Heap区

全局变量分配的内存在代码整个运行周期内都是有效的,而在栈区分配的内存在函数调用完成后,就会释放。这两种内存模型都是由编译器决定它的使用,代码是无法控制的。那有没有内存是由用户控制的,要用时,就自由分配,不用时,就自行释放?答案是肯定的,这部分内存就是堆。

用户需要使用的动态内存,就是通过malloc函数,调用分配的,在没有释放前,可一直由代码使用。当这部分内存不再需要使用时,可以通过free函数进行释放,将它归还到堆中。从这中可以看出,堆的内存,是按需分配的。这就是赋予了代码很大的自由度,但这也是会带来负作用的,比如:内存碎片化导致的malloc失败;忘记释放内存导致的内存泄露,而这些往往是致命的失误。

四、Code区

代码区就是编译后机器指令,这些指令决定了功能的执行。我们编译的代码一般是下载进flash中,但是运行,却有两种方式:在RAM中运行和在ROM中运行。 在RAM中运行,即是boot启动后,将flash中的代码复制到RAM中,然后PC指针在指到RAM中的代码中开始运行。 有时在调试时,我们可以直接将代码下载进RAM中运行进行调试,这样加快调试速度。便是大部分的情况我们的代码是从flash中开始运行的。

五、常量区

代码中的常量,一部分是作为立即数,在代码区中,但是像定义的字符串、给某数组赋值的一串数值,这些常量,就存在常量区,我们常用const来定义一个常量,即该变量不能再必变。这部分的变量,编译器一般将它定义的flash中。

六、各个区域大小的是如何决定的:

code区和const区:是由代码的大小和代码中常量的多少来决定的。

bss区和data区:这是由代码中定义的全局变量和局部变量的多少来决定的。

stack区:这个可以由使用都自行定义大小,但使用都要根据自已代码的情况,评估出一个合理的值,再定义其大小,如果定义的太小,很容易爆栈,导至代码异常,但是如果定义的太大,就容易浪费内存。

heap区:RAM剩下的部分,编译器就会作为堆区使用。

七、嵌入式代码一般启动过程

以STM32为例,通过分析其汇编启支代码,大致可以分为以下几个步骤:

如果大家想看编译扣,代码文件的组成,可以查看统后生的map文件,里面有详细的数据,包括各个函数的分配内存,BSS,Data,Stack,Heap,Text的分配情况。

如果相要了解详细的代码启动过程,可看它的启动汇编文件。

简单地说!Heap存储全局静态变量, Stack存储局部变量!

另外Stack可以用来动态地分配内存块.这个在C++中用得比较多.C中不建议用库函数中带的动态分配函数来分配内存块,很容易产生内存泄漏!

堆(heap)和栈(stack)有什么区别??

简单的可以理解为:

heap:是由malloc之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。

stack:是自动分配变量,以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少的。

预备知识—程序的内存分配

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

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,呵呵。

3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后有系统释放

4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

二、例子程序

这是一个前辈写的,非常详细

//main.cpp

int a = 0全局初始化区

char *p1全局未初始化区

main()

{

int b栈

char s[] = "abc"栈

char *p2栈

char *p3 = "123456"123456在常量区,p3在栈上。

static int c =0; 全局(静态)初始化区

p1 = (char *)malloc(10)

p2 = (char *)malloc(20)

分配得来得10和20字节的区域就在堆区。

strcpy(p1, "123456")123456放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。

}

二、堆和栈的理论知识

2.1申请方式

stack:

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:

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。

2.2

申请后系统的响应

栈: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: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。

2.3申请大小的限制

栈: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: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。

2.4申请效率的比较:

栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。

堆是由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, 也最灵活

2.5堆和栈中的存储内容

栈: 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: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。

2.6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。

比如:

#include

void main()

{

char a = 1

char c[] = "1234567890"

char *p ="1234567890"

a = c[1]

a = p[1]

return

}

对应的汇编代码

10: a = c[1]

00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]

0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl

11: a = p[1]

0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]

00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]

00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。

?

2.7小结:

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:

使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。

堆和栈的区别主要分:

操作系统方面的堆和栈,如上面说的那些,不多说了。

还有就是数据结构方面的堆和栈,这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是(满足堆性质的)优先队列的一种数据结构,第1个元素有最高的优先权;栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。

虽然堆栈,堆栈的说法是连起来叫,但是他们还是有很大区别的,连着叫只是由于历史的原因针值读