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C语言变量存储与指针：基础篇

ops 2025/6/23 18:58:19

理解C语言中的变量存储类别和指针基础

C语言程序的内存分为几个主要区域：

栈（Stack）

栈是用于函数调用的内存区域。它存储局部（非静态）变量、函数参数和返回地址。栈上的变量仅在函数运行时存在。当函数返回时，栈空间被回收。栈上的局部变量不会自动初始化。

示例：

void foo() {int local_var = 2; // 栈上变量
}

堆（Heap）

堆是用于动态内存分配的内存区域。与栈内存不同，堆内存必须由程序员手动管理，使用malloc()、calloc()、realloc()和free()等函数。堆上的内存在显式释放或程序终止前一直存在。它受可用系统内存限制，访问速度比栈慢，且可能随着时间推移产生碎片。除非使用calloc()，否则不会自动初始化。

示例：

void dynamic_allocation() {// 在堆上为整数分配内存int *heap_var = (int *)malloc(sizeof(int));*heap_var = 42;  // 在分配的内存中存储值42// 分配10个整数的数组int *array = (int *)malloc(10 * sizeof(int));for (int i = 0; i < 10; i++) {array[i] = i * 2;  // 初始化数组元素}// 使用完毕后释放分配的内存free(heap_var);free(array);
}

数据段（Data Segment）

数据段是程序静态内存的一部分，存储全局变量、静态变量（函数内外）及其初始值。数据段中的变量在程序的整个生命周期内存在。它们在函数调用之间保持其值。

初始化的数据段存储有显式初始值的变量（如int x = 5;）。未初始化的数据段（BSS - Block Started by Symbol）存储没有显式初始值的变量（如static int y;）。不过，它们默认初始化为零。

示例：

int global_var = 10;      // 数据段
static int static_var = 20; // 数据段void func() {static int local_static = 30; // 数据段int local_var = 40;           // 栈
}

我们在程序的整个生命周期中使用数据段来存储全局/静态变量。当我们希望在函数调用之间保持状态/值时，也会使用它。通常我们将其用于全局配置值或常量。不过我们不应该过度使用全局变量，因为这会使调试变得困难。还需要考虑线程安全问题。

关键区别

特性	数据段	栈
生命周期	程序运行期间	函数执行期间
初始化	自动初始化为0或指定值	未初始化（包含垃圾值）
内存位置	固定（非每个函数）	随函数调用增长/收缩
示例	`static int x;`	函数中的`int y;`

练习

int *类型的大小是多少？其中int大小为32位，CPU使用64位可寻址内存。

答案：8字节
解释：指针大小取决于64位可寻址内存（8字节），而不是int的大小。

以下C代码的预期输出是什么？

void foo(int x) {if (x < 5) {static int y = 5;x = y + x;printf("%d, ", x);y += 1;}
}
void main() {for (int i = 7; i >= 0; i--)foo(i);
}

答案：9, 9, 9, 9, 9（注意：不是9, 8, 7, 6, 5）
解释：
当在函数内部声明static int y = 5时，y只会在函数第一次调用时初始化一次。之后，y会在调用之间记住它的值，因为它存储在程序的数据段中，而不是栈上。

第10行后的内存内容是什么？

static char val = -47;  // 数据段中的静态变量int main() {char *str = "XYZA";  // 字符串字面量（只读数据段）char tr = str[2];    // 'Z'int *sp = &val;      // 指向val的指针char x = *sp + 2;     // -47 + 2 = -45int *holder = (int *)malloc(sizeof(int));  // 堆分配*holder = (int)&val;  // 存储val的地址tr = tr + *sp + 2;    // 'Z'(90) + (-47) + 2 = 45return 0;
}

第10行后的内存布局

静态/全局段 (0x2000)
- val = -47（在8位补码中为0xD1）
堆 (0x4000)
- holder (4字节): 0x4000（指向分配的内存）

答案:

静态/全局 (0x2000): val = -47 (0xD1) 在 0x2000
堆 (0x4000): holder 指向 0x4000，*holder = 0x2000
栈 (0x7000):
- str = 0x3000 在 0x7000
- tr = 0 在 0x7004
- sp = 0x2000 在 0x7005
- x = -45 在 0x7009
- holder = 0x4000 在 0x700A
程序代码 (0x3000): "XYZA" ('X'=88, 'Y'=89, 'Z'=90, 'A'=65, '\0'=0)