C语言内存分布与heap空间分别详细讲解

内存分布

程序没有加载到内存前，可执行程序内部已经分好3段信息，分别为代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）3 个部分（有些人直接把data和bss合起来叫做静态区或全局区）。

代码区

存放 CPU 执行的机器指令。通常代码区是可共享的（即另外的执行程序可以调用它），使其可共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可。代码区通常是只读的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令。另外，代码区还规划了局部变量的相关信息。

全局初始化数据区/静态数据区（data段）

该区包含了在程序中明确被初始化的全局变量、已经初始化的静态变量（包括全局静态变量和局部静态变量）和常量数据（如字符串常量）。

未初始化数据区（又叫 bss 区）

存入的是全局未初始化变量和未初始化静态变量。未初始化数据区的数据在程序开始执行之前被内核初始化为 0 或者空（NULL）。

程序在加载到内存前，代码区和全局区(data和bss)的大小就是固定的，程序运行期间不能改变。然后，运行可执行程序，系统把程序加载到内存，除了根据可执行程序的信息分出代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）之外，还额外增加了栈区、堆区。

代码区（text segment）

加载的是可执行文件代码段，所有的可执行代码都加载到代码区，这块内存是不可以在运行期间修改的。

未初始化数据区（BSS）

加载的是可执行文件BSS段，位置可以分开亦可以紧靠数据段，存储于数据段的数据（全局未初始化，静态未初始化数据）的生存周期为整个程序运行过程。

全局初始化数据区/静态数据区（data segment）

加载的是可执行文件数据段，存储于数据段（全局初始化，静态初始化数据，文字常量(只读)）的数据的生存周期为整个程序运行过程。

栈区（stack）

栈是一种先进后出的内存结构，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、返回值、局部变量等。在程序运行过程中实时加载和释放，因此，局部变量的生存周期为申请到释放该段栈空间。

堆区（heap）

堆是一个大容器，它的容量要远远大于栈，但没有栈那样先进后出的顺序。用于动态内存分配。堆在内存中位于BSS区和栈区之间。一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收。

变量

局部变量：

概念：定义在函数内部的变量。

作用域：从定义位置开始，到包裹该变量的第一个右大括号结束。

生命周期：局部变量：从变量定义开始，函数调用完成。 --- 函数内部。

全局变量：

概念：定义在函数 外 部的变量。

作用域：从定义位置开始，默认到本文件内部。 其他文件如果想使用，可以通过声明方式将作用域导出。

生命周期:程序启动开始，程序终止结束。 --- 程序执行期间。

static全局变量：

定义语法： 在全局变量定义之前添加 static 关键字。 static int a = 10；

作用域：被限制在本文件内部，不允许通过声明导出到其他文件。

生命周期：程序启动开始，程序终止结束。 --- 程序执行期间。

static局部变量：

定义语法： 在局部变量定义之前添加 static 关键字。

特性： 静态局部变量只定义一次。在全局位置。 通常用来做计数器。

作用域：从定义位置开始，到包裹该变量的第一个右大括号结束。

生命周期：程序启动开始，程序终止结束。 --- 程序执行期间

全局函数： 函数

定义语法： 函数原型 + 函数体

生命周期：程序启动开始，程序终止结束。 --- 程序执行期间。

static函数：

定义语法：static + 函数原型 + 函数体

static 函数 只能在 本文件内部使用。 其他文件即使声明也无效。

生命周期：程序启动开始，程序终止结束。 --- 程序执行期间。

内存4区模型

代码段：.text段。 程序源代码（二进制形式）。

数据段：只读数据段 .rodata段。初始化数据段 .data段。 未初始化数据段 .bss 段。

stack：栈。 在其之上开辟 栈帧。 windows 1M --- 10M Linux： 8M --- 16M

heap：堆。 给用户自定义数据提供空间。 约 1.3G+

当全局变量与局部变量命名冲突时采用就近原则

开辟释放 heap 空间

void *malloc(size_t size); 申请 size 大小的空间

返回实际申请到的内存空间首地址。 【我们通常拿来当数组用】

void free(void *ptr); 释放申请的空间

参数： malloc返回的地址值。

使用 heap 空间

空间时连续。 当成数组使用。

free后的空间，不会立即失效。 通常将free后的 地址置为NULL。

free 地址必须 是 malloc申请地址。否则出错。

如果malloc之后的地址一定会变化，那么使用临时变量tmp 保存。

代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <time.h>
int main()
{
	//int arr[1000000] = {10, 20, 40};
	int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
	//char *str = (char *)malloc(sizeof(char)*10);
	if (p == NULL)
	{
		printf("malloc error\n");
		return -1;
	}
	char *tmp = p;  // 记录malloc返回的地址值。用于free
	// 写数据到 malloc 空间。
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 10;
	}
	// 读出malloc空间中的数据
	//for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	//{
	//	printf("%d ", *(p+i));
	//}
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	// 释放申请的内存。
	free(tmp);
	p = NULL;
	system("pause");
	return EXIT_SUCCESS;
}

二级指针对应的 heap空间

申请外层指针： char **p = (char **)malloc(sizeof(char *) * 5);

申请内层指针：

 for(i = 0; i < 5; i++)
 {
     p[i] = (char *)malloc(sizeof(char) *10);
 }

使用： 不能修改 p 的值。

 for(i = 0; i < 5; i++)
 {
     strcpy(p[i], "helloheap");
 }

释放内层：

 for(i = 0; i < 5; i++)
 {
     free(p[i]);
 }

释放外层：

free(p);