C内存布局

一、变量作用域与存储类别

根据定义位置和存储方式，变量可分为以下几种类型：

int degree = 0;          // 全局变量，文件作用域（其他文件声明后可引用）
static int cnt = 0;      // 静态全局变量，文件作用域（仅当前文件可访问）

int main() {
    int times = 0;       // 自动局部变量，函数作用域，动态存储
    static double price = 5.0;  // 静态局部变量，函数作用域，静态存储
    // ...
}

变量分类总结

变量类型	作用域	存储位置	生命周期	初始化
全局变量	整个程序	数据区	程序运行期间	默认0或指定值
静态全局变量	当前文件	数据区	程序运行期间	默认0或指定值
自动局部变量	函数内部	栈区	函数执行期间	未初始化，值不确定
静态局部变量	函数内部	数据区	程序运行期间	默认0或指定值（仅一次）

二、C程序内存布局详解

不同操作系统对C程序的内存布局安排略有不同，但基本结构相似。以下以Linux系统为例，详细解析进程的内存布局：

2.1 代码段（Text Segment）

• 内容：CPU执行的机器指令和只读常量

• 特性：

  • 只读属性，防止程序意外修改指令

  • 可共享，多个进程可共享同一代码段副本

  • 大小固定，在程序加载时确定

2.2 数据段（Data Segment）

数据段分为两部分：

2.2.1 已初始化数据段

• 存储内容：

  int global_init = 100;          // 已初始化全局变量
  static int static_init = 200;   // 已初始化静态变量
  const int const_val = 300;      // 常量（可能在此段或代码段）

2.2.2 BSS段（Block Started by Symbol）

• 存储内容：

  int global_uninit;              // 未初始化全局变量
  static int static_uninit;       // 未初始化静态变量
  char buffer[1024];              // 未初始化大数组

• 特点：程序启动前由系统自动初始化为0

2.3 堆区（Heap）

// 堆内存动态分配示例
int *arr = (int*)malloc(100 * sizeof(int));  // 分配100个int空间
if (arr != NULL) {
    // 使用分配的内存
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        arr[i] = i * 2;
    }
    free(arr);  // 必须手动释放
}

堆内存管理要点：

1. 分配机制：系统维护空闲内存链表，按需分配

2. 内存碎片：频繁分配释放可能产生碎片

3. 性能开销：涉及系统调用和用户态/内核态切换

4. 内存泄漏：忘记释放会导致内存泄漏

2.4 栈区（Stack）

int factorial(int n) {           // 参数n在栈中
    if (n <= 1) {
        return 1;                // 返回值通过寄存器或栈传递
    }
    int result;                  // 局部变量，在栈中分配
    result = n * factorial(n-1); // 递归调用，每次调用创建新栈帧
    return result;
}

栈的特点：

• 自动管理：函数调用时分配，返回时释放

• 后进先出：适合函数调用和返回

• 大小有限：通常几MB，过度使用会导致栈溢出

• 高速访问：比堆访问速度快

三、字节序：大端与小端模式

3.1 基本概念

在计算机系统中，多字节数据的存储方式分为两种：

模式	特点	典型系统
大端模式	高位字节在低地址，低位字节在高地址	PowerPC, IBM, Sun, 网络协议
小端模式	低位字节在低地址，高位字节在高地址	x86, DSP