1. 引言很多初學(xué)者在寫 C 程序時(shí)常常會(huì)困惑變量到底存在哪里為什么局部變量和全局變量行為不一樣為什么數(shù)組越界有時(shí)不報(bào)錯(cuò)、有時(shí)卻段錯(cuò)誤這些問題的答案都藏在 C 程序的內(nèi)存分區(qū)里。本文用最直白的方式把 C 程序的內(nèi)存布局講清楚。2. 內(nèi)存分區(qū)的整體圖景一個(gè) C 程序運(yùn)行起來后操作系統(tǒng)會(huì)為它分配一塊連續(xù)的虛擬地址空間。從高地址到低地址大致分為以下幾個(gè)區(qū)域棧區(qū)Stack存放局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回地址由編譯器自動(dòng)分配和釋放。堆區(qū)Heap由程序員用malloc/free手動(dòng)管理向高地址方向增長(zhǎng)。全局區(qū)靜態(tài)區(qū)存放全局變量和static修飾的變量程序啟動(dòng)時(shí)分配程序結(jié)束時(shí)釋放。常量區(qū)只讀區(qū)存放字符串字面量等只讀數(shù)據(jù)修改會(huì)觸發(fā)段錯(cuò)誤。代碼區(qū)Text存放編譯后的機(jī)器指令只讀。3. 棧區(qū)自動(dòng)管理的臨時(shí)倉(cāng)庫(kù)棧區(qū)是程序運(yùn)行時(shí)最活躍的區(qū)域。每次調(diào)用一個(gè)函數(shù)系統(tǒng)就會(huì)在棧上壓入一個(gè)「棧幀」用來存放這個(gè)函數(shù)的局部變量、參數(shù)和返回地址。函數(shù)返回時(shí)棧幀自動(dòng)彈出內(nèi)存隨之釋放。棧的特點(diǎn)是速度快、容量小、自動(dòng)管理。默認(rèn)棧大小通常在 1MB 到 8MB 之間取決于操作系統(tǒng)所以遞歸過深或定義過大的局部數(shù)組很容易導(dǎo)致棧溢出。#include stdio.h void func(int x) { int local x * 2; // local 存放在棧區(qū) printf(%d\n, local); } int main() { func(10); // 調(diào)用函數(shù)時(shí)壓棧返回時(shí)彈棧 return 0; }4. 堆區(qū)程序員自己管的大倉(cāng)庫(kù)堆區(qū)是程序員手動(dòng)申請(qǐng)和釋放的內(nèi)存區(qū)域容量遠(yuǎn)大于棧受物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存限制。C 語(yǔ)言中通過malloc、calloc、realloc申請(qǐng)用free釋放。堆的特點(diǎn)是容量大、速度慢、必須手動(dòng)管理。忘記free會(huì)造成內(nèi)存泄漏重復(fù)free或使用已釋放的內(nèi)存懸空指針則可能引發(fā)崩潰。#include stdio.h #include stdlib.h int main() { int *arr (int *)malloc(10 * sizeof(int)); // 在堆區(qū)申請(qǐng) 40 字節(jié) if (arr NULL) { return 1; } arr[0] 100; printf(%d\n, arr[0]); free(arr); // 手動(dòng)釋放 return 0; }5. 全局區(qū)與靜態(tài)區(qū)程序的一生全局變量和用static修飾的變量存放在全局區(qū)靜態(tài)區(qū)。它們?cè)诔绦騿?dòng)時(shí)就被分配好直到程序結(jié)束才釋放生命周期貫穿整個(gè)程序。這里要特別注意static修飾局部變量時(shí)變量的作用域仍然是函數(shù)內(nèi)部但存儲(chǔ)位置從棧區(qū)移到了全局區(qū)所以它的值在多次函數(shù)調(diào)用之間會(huì)保留。#include stdio.h int global_var 10; // 全局變量存放在全局區(qū) void counter() { static int count 0; // 靜態(tài)局部變量存放在全局區(qū) count; printf(%d\n, count); } int main() { counter(); // 輸出 1 counter(); // 輸出 2 return 0; }6. 常量區(qū)與代碼區(qū)只讀的領(lǐng)地字符串字面量如hello存放在常量區(qū)這個(gè)區(qū)域是只讀的。如果嘗試修改它程序會(huì)直接崩潰段錯(cuò)誤。代碼區(qū)存放編譯后的機(jī)器指令同樣是只讀的。#include stdio.h int main() { char *p hello; // hello 存放在常量區(qū)p 指向它 // p[0] H; // 錯(cuò)誤常量區(qū)只讀會(huì)段錯(cuò)誤 printf(%s\n, p); return 0; }7. 一張表看懂內(nèi)存分區(qū)區(qū)域存放內(nèi)容分配方式生命周期容量棧區(qū)局部變量、函數(shù)參數(shù)編譯器自動(dòng)分配/釋放函數(shù)調(diào)用期間小約 1-8MB堆區(qū)malloc 申請(qǐng)的內(nèi)存程序員手動(dòng)管理從申請(qǐng)到 free大受物理內(nèi)存限制全局區(qū)全局變量、static 變量程序啟動(dòng)時(shí)分配整個(gè)程序運(yùn)行期間中等常量區(qū)字符串字面量編譯時(shí)確定整個(gè)程序運(yùn)行期間只讀代碼區(qū)機(jī)器指令編譯時(shí)確定整個(gè)程序運(yùn)行期間只讀8. 常見誤區(qū)與實(shí)戰(zhàn)建議理解了內(nèi)存分區(qū)很多經(jīng)典問題就迎刃而解函數(shù)返回局部數(shù)組的地址為什么危險(xiǎn)因?yàn)榫植繑?shù)組在棧區(qū)函數(shù)返回后棧幀被釋放地址變成懸空指針。為什么大數(shù)組要放在全局區(qū)或用 malloc因?yàn)闂^(qū)容量小大數(shù)組容易棧溢出。字符串常量為什么不能修改因?yàn)樗谥蛔x的常量區(qū)。內(nèi)存泄漏怎么避免每次malloc都要配對(duì)free并養(yǎng)成檢查返回值的習(xí)慣。建議初學(xué)者在寫代碼時(shí)時(shí)刻問自己一句這個(gè)變量存在哪個(gè)區(qū)它的生命周期有多長(zhǎng)想清楚這兩點(diǎn)C 語(yǔ)言的內(nèi)存管理就成功了一大半。