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局部变量、全局变量、堆、堆栈、静态和全局

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发表于 2013-2-19 14:57:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
说明: 今天在网上查了点资料,把这个几个概念捋清楚,捋顺了。

  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

(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、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
    一个正常的程序在内存中通常分为程序段、数据端、堆栈三部分程序段里放着程序的机器码、只读数据,这个段通常
        是只读,对它的写操作是非法的数据段放的是程序中的静态数据动态数据则通过堆栈来存放


  ========================================================================================

       堆栈内存中的一个连续的块一个叫堆栈指针的寄存器(SP)指向堆栈的栈顶堆栈的底部是一个固定地址。堆栈有
一个特点就是,后进先出。也就是说,后放入的数据第一个取出。它支持两个操作,PUSH和POP。PUSH是将数据放到栈
的顶端,POP是将栈顶的数据取出。


      在高级语言中,程序函数调用、函数中的临时变量都用到堆栈。为什么呢?因为在调用一个函数时,我们需要对当前的
操作进行保护,也为了函数执行后,程序可以正确的找到地方继续执行,所以参数的传递和返回值也用到了堆栈。通常对
部变量的引用是通过给出它们对SP的偏移量来实现的另外还有一个基址指针(FP,在Intel芯片中是BP),许多编译器实
际上是用它来引用本地变量和参数。通常,参数的相对FP的偏移是正的,局部变量是负的。


     当程序中发生函数调用时,计算机做如下操作:首先把参数压入堆栈;然后保存指令寄存器(IP)中的内容,做为返回地址
(RET);第三个放入堆栈的是基址寄存器(FP);然后把当前的栈指针(SP)拷贝到FP,做为新的基地址;最后为本地变量留出
一定空间,把SP减去适当的数值


     在函数体中定义的变量通常是在栈上,用malloc, calloc, realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上在所有函数
体外定义的是全局量,加了static修饰符后不管在哪里都存放在全局区(静态区),在所有函数体外定义的static变量表示在
该文件中有效,不能extern到别的文件用;在函数体内定义的static表示只在该函数体内有效。另外,函数中的"adgfdf"这
样的字符串存放在常量区。
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 楼主| 发表于 2013-2-19 15:35:46 | 显示全部楼层
1 性能
栈:存在于RAM中。栈是动态的,它的存储速度是第二快的。stack
堆:位于RAM中,是一个通用的内存池所有的对象都存储在堆中。heap
2 申请方式
stack【栈】: 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【堆】: 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
3 申请后系统的响应
栈【stack】: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【heap】: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
4 申请大小的限制
栈【stack】: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【heap】: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。
5 申请效率的比较
栈【stack】:由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
堆【heap】: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。但是速度快,也最灵活

6 堆和栈中的存储内容
栈【stack】: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【heap】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
7 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针值读到edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。
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 楼主| 发表于 2013-2-19 15:39:01 | 显示全部楼层
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\\0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\\0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
}
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发表于 2018-4-25 13:56:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 打洞者 于 2018-4-25 14:29 编辑



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 楼主| 发表于 2018-4-25 15:45:02 | 显示全部楼层

符号 "是论坛的bug,是去年论坛从pw论坛转换到dz论坛就成这个样子了。

这个是双引号

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发表于 2018-4-25 16:25:40 | 显示全部楼层
好帖,可以说讲的很细致了,硬汉能不能再结合stm内核讲讲在stm32平台对应的内存是什么原理,具体怎么应用,如何读懂map文件
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 楼主| 发表于 2018-4-25 16:29:50 | 显示全部楼层
wx_BEI5E3R1 发表于 2018-4-25 16:25
好帖,可以说讲的很细致了,硬汉能不能再结合stm内核讲讲在stm32平台对应的内存是什么原理,具体怎么应用, ...

这个看我们的V5视频教程即可,我详细讲解了:
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=15408
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发表于 2020-5-13 08:50:04 | 显示全部楼层
我之前做了一个这样的测试:在调用一个函数前MSP的值位0x200016A8,然后调用一个函数(无传参、无返回值),这个函数里定义了一个6个uint32_t的变量,我仿真发现这6个变量的地址分别是0x2000167c、0x20001680、0x20001684、0x20001688、0x2000168c、0x20001690。按理说STM32应该是满减栈,调用这个函数后MSP的值应该指向这6个变量中最后的那个地址(即0x2000167c),但是实际我观察MSP的值是0x20001678,硬汉知道是什么原因吗?
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 楼主| 发表于 2020-5-13 08:57:03 | 显示全部楼层
shibinjie 发表于 2020-5-13 08:50
我之前做了一个这样的测试:在调用一个函数前MSP的值位0x200016A8,然后调用一个函数(无传参、无返回值), ...

向下生长的满栈,要知道末尾地址,什么是末尾地址。0x2000167c不是最后一个的首地址么。
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发表于 2020-5-13 09:25:05 | 显示全部楼层
eric2013 发表于 2020-5-13 08:57
向下生长的满栈,要知道末尾地址,什么是末尾地址。0x2000167c不是最后一个的首地址么。

对啊,最后一个局部变量的首地址是0x2000167c,此时MSP的值理论上就应该是0x2000167c,但是实际MSP的值是0x20001678,这不变成了空减栈了么?还是我哪里理解错了呢
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 楼主| 发表于 2020-5-13 09:40:34 | 显示全部楼层
shibinjie 发表于 2020-5-13 09:25
对啊,最后一个局部变量的首地址是0x2000167c,此时MSP的值理论上就应该是0x2000167c,但是实际MSP的值是 ...

你要指向最后一个变量的末尾地址,而不是最后一个变量的首地址。

比如上电后,SP首地址是0x20002000,你加入一次变量后,SP指向哪里,继续还在0x20002000吗?
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发表于 2020-5-13 10:31:24 | 显示全部楼层
eric2013 发表于 2020-5-13 09:40
你要指向最后一个变量的末尾地址,而不是最后一个变量的首地址。

比如上电后,SP首地址是0x20002000, ...

一个uint32_t变量,首地址不是在低地址吗?比如上面的uint32_t变量,如果首地址是0x2000167c,另外三个字节地址不应该是0x2000167d,0x2000167e,0x2000167f吗?有点凌乱了。
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 楼主| 发表于 2020-5-13 11:42:27 | 显示全部楼层
shibinjie 发表于 2020-5-13 10:31
一个uint32_t变量,首地址不是在低地址吗?比如上面的uint32_t变量,如果首地址是0x2000167c,另外三个字 ...

SP运行状态不是指向你已经使用的末尾,是指向下一个栈空位。
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 楼主| 发表于 2020-5-13 12:49:37 | 显示全部楼层
shibinjie 发表于 2020-5-13 10:31
一个uint32_t变量,首地址不是在低地址吗?比如上面的uint32_t变量,如果首地址是0x2000167c,另外三个字 ...

帮你测试了一番,你应该是用MDK测试的,MDK会有我刚刚说的只需下一个空位的问题。

而使用IAR通用的程序会执行你说的0x2000167c
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发表于 2020-5-13 14:03:01 | 显示全部楼层
eric2013 发表于 2020-5-13 12:49
帮你测试了一番,你应该是用MDK测试的,MDK会有我刚刚说的只需下一个空位的问题。

而使用IAR通用的程 ...

是的,我当时用MDK测试的。理论上满栈的话,应该SP指向的是末尾,而不是下一个栈空位,但是MDK也不是每次都是指向下一个栈空位,有时候也会指向末尾,好像和函数中的使用的局部变量有关。具体什么情况下会指向末尾,什么情况下指向下一个栈空位,目前不知,亦或者是MDK的BUG?
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 楼主| 发表于 2020-5-13 14:33:05 | 显示全部楼层
shibinjie 发表于 2020-5-13 14:03
是的,我当时用MDK测试的。理论上满栈的话,应该SP指向的是末尾,而不是下一个栈空位,但是MDK也不是每次 ...

你设置下不同的优化等级试试。
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发表于 2020-5-13 20:43:00 | 显示全部楼层
eric2013 发表于 2020-5-13 14:33
你设置下不同的优化等级试试。

试了各种情况,有时候满足理论分析,有时候不满足,看编译器心情,没啥规律,看来不能用MDK这么分析。
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