C语言作用域与内存布局

作用域

C语言变量的作用域分为：

• 代码块作用域(代码块是大括号{}之间的一段代码)
• 函数作用域
• 文件作用域

1. 局部变量

局部变量也叫auto自动变量(auto关键字可以省略不写)，一般情况下代码块{}内部定义的变量都是局部变量，它有如下特点：

• 在一个函数内定义，只在函数范围内有效
• 在复合语句中定义，只在复合语句中有效
• 随着函数调用的结束或复合语句的结束，即作用域的结束，局部变量的生命周期也结束
• 如果没有给局部变量赋初值，那么随机变量的值为随机值

#include <stdio.h>
void test()
{
  //auto只能出现在{}内部
  auto int b = 10; //相当于  int b = 10; //auto可省略
}
int main(void)
{
  //b = 100; //error， 在main作用域中没有b, b的生命周期在test()内部
  if (1)
  {
    //在复合语句中定义，只在复合语句中有效
    int a = 10;
    printf("a = %d\n", a);
  }
  //a = 10; //error离开if()的复合语句，a生命周期结束
  return 0;
}

2. 静态局部变量

static修饰的局部变量称为静态局部变量

• static局部变量的作用域也是在定义的函数内有效
• static局部变量的生命周期和程序运行周期一样，同时staitc局部变量的值只初始化一次，但可以赋值多次（记忆功能）
• static局部变量若未赋以初值，则由系统自动赋值，数值型变量自动赋初值0，字符型变量赋空字符

#include <stdio.h>
void fun1()
{
  int i = 0;
  i++;
  printf("i = %d\n", i);
}
void fun2()
{
  //静态局部变量，没有赋值，系统赋值为0，而且只会初始化一次
  static int a;
  a++;
  printf("a = %d\n", a);
}
int main(void)
{
  fun1();
  fun1();
  fun2();
  fun2();
  return 0;
}

3. 全局变量

• 在函数外定义，可被本文件及其它文件中的函数所使用，如果其它文件中的函数想要调用此变量，必须通过extern声明为外部定义
• 全局变量的生命周期和程序运行周期一样
• 不同文件的全局变量不可重名

4. 静态全局变量

static修饰的全局变量称为静态全局变量

• 在函数外定义，作用域被限制在所定义的文件中
• 不同文件静态全局变量可以重名，但作用域不冲突
• static全局变量的生命周期和程序运行周期一样，同时staitc全局变量的值只初始化一次

5. extern声明全局变量

通过extern声明一个变量，表示这个变量在别的文件中已经定义了，这里只是声明，而不是定义。

6. 全局函数和静态函数

在C语言中函数默认都是全局的，使用关键字static可以将函数声明为静态，函数被声明为static静态函数就意味着这个函数只能在定义这个函数的文件中使用，在其他文件中不能调用，即使在其他文件中声明这个函数都没用。对于不同文件中的staitc函数名字可以相同。

注意：

• 允许在不同的函数中使用相同的变量名，它们代表不同的对象，分配不同的单元，互不干扰。
• 同一源文件中,允许全局变量和局部变量同名，在局部变量的作用域内，全局变量不起作用。
• 所有的函数默认都是全局的，意味着所有的函数都不能重名，但如果是staitc函数，那么作用域是文件级的，所以不同的文件static函数名是可以相同的。

内存布局

1. 内存分区

C源代码经过预处理、编译、汇编、链接4步后生成一个可执行程序。

在 Linux 下，程序是一个普通的具有可执行权限的文件，以下列出一个二进制可执行文件的基本情况：

通过上图可以得知，在没有运行程序前，也就是说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（有时候也可以把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。
  

2. 存储类型

3. 内存操作函数

• memset

#include <string.h>

void *memset(void *s, int c, size_t n);

功能：将s的内存区域的前n个字节以参数c填入

参数：

s：需要操作内存s的首地址

c：填充的字符，c虽然参数为int，但必须是unsigned char , 范围为0~255

n：指定需要设置的大小

返回值：s的首地址

• memcpy/memmove

#include <string.h>

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

功能：拷贝src所指的内存内容的前n个字节到dest所值的内存地址上。

参数：

dest：目的内存首地址

src： 源内存首地址，注意, dest和src所指的内存空间不可重叠

n： 需要拷贝的字节数

返回值：dest的首地址

memmove()功能用法和memcpy()一样，区别在于dest和src所指的内存空间重叠时，memmove()仍然能处理，不过执行效率比memcpy()低些。

• memcmp

#include <string.h>

int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);

功能：比较s1和s2所指向内存区域的前n个字节

参数：

s1：内存首地址1

s2：内存首地址2

n：需比较的前n个字节

返回值：

相等：=0

大于：>0

小于：<0