C程序中Ubuntu、stm32的内存分配问题

一、内存分区概念介绍

1.1、C/C++编译程序的内存占用

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。它与数据结构中的堆不同，分配方式类似于链表。
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。当程序结束后，变量由系统释放。
4、文字常量区
存放常量字符串。当程序结束后，常量字符串由系统释放。
5、程序代码区
存放函数体的二进制代码。

1、从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。

2、在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
3、从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

1.2、栈和堆、全局/静态存储区和常量存储区的对比

1、栈区：主要用来存放局部变量, 传递参数, 存放函数的返回地址。.esp 始终指向栈顶, 栈中的数据越多, esp的值越小。

2、堆区：用于存放动态分配的对象, 当你使用 malloc和new 等进行分配时,所得到的空间就在堆中。动态分配得到的内存区域附带有分配信息, 所以你能够 free和delete它们。

3、数据区：全局，静态和常量是分配在数据区中的，数据区包括bss（未初始化数据区）和初始化数据区。

注意：堆向高内存地址生长；栈向低内存地址生长；堆和栈相向而生，堆和栈之间有个临界点，称为stkbrk。

1.3、图片说明

补充：
Stack：栈，存放Automatic Variables，按内存地址由高到低方向生长，其最大大小由编译时确定，速度快，但自由性差，最大空间不大。

Heap：堆，自由申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存/虚拟内存上限决定，速度较慢，但自由性大，可用空间大。
每个线程都会有自己的栈，但是堆空间是共用的。

参考文献：https://www.icode9.com/content-1-772915.html

二、C语言编程论证

1.1、Ubuntu测试代码实现

1、main.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{
	printf("hello");
	printf("%d",a);
	printf("\n");
}
 
int main( )
{   
	//定义局部变量
	int a=2;
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
    int init_local_d = 1;
    output(a);
    char *p;
    char str[10] = "lyy";
    //定义常量字符串
    char *var1 = "1234567890";
    char *var2 = "qwertyuiop";
    //动态分配
    int *p1=malloc(4);
    int *p2=malloc(4);
    //释放
    free(p1);
    free(p2);
    printf("栈区-变量地址\n");
    printf("                a：%p\n", &a);
    printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);
    printf("                p：%p\n", &p);
    printf("              str：%p\n", str);
    printf("\n堆区-动态申请地址\n");
    printf("                   %p\n", p1);
    printf("                   %p\n", p2);
    printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
    printf("\n.bss段\n");
    printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
    printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
    printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
    printf("\n.data段\n");
    printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
    printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
    printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
    printf("\n文字常量区\n");
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);
    printf("\n代码区\n");
    printf("程序区地址       ：%p\n",&main);
    printf("函数地址         ：%p\n",&output);
    return 0;
}

2、使用命令创建一个 main.c 文件：

gedit main.c

3、复制粘贴上述代码

4、编译执行

gcc main.c -o main

./main

5、结果展示

分析说明：可以从上图可以得出栈区内存地址由高到低方向生长，堆区内存地址由低到高方向生长。而且整个程序的内存也是从高到低的地址进行分配的。

1.2、STM32验证代码实现

打开之前做过的串口通讯实验代码，在其中进行修改，后面我也会给出先关串口链接

1、代码更改

修改bsp_usart.h ：

添加头文件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

修改bsp_usart.c ：

重写 fputc 函数：

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t)ch);
	
	while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	
	return (ch);
}

main.c ：

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"  //添加 bsp_usart.h 头文件
 
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
 
void output(int a)
{
	printf("hello");
	printf("%d",a);
	printf("\n");
}
 
int main(void)
{	
	//定义局部变量
	int a=2;
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
	int init_local_d = 1;
	char *p;
	char str[10] = "lyy";
	//定义常量字符串
	char *var1 = "1234567890";
	char *var2 = "qwertyuiop";
	//动态分配
	int *p1=malloc(4);
	int *p2=malloc(4);
	USART_Config();//串口初始化
	output(a);
	//释放
	free(p1);
	free(p2);
	printf("栈区-变量地址\n");
	printf("                a：%p\n", &a);
	printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);
	printf("                p：%p\n", &p);
	printf("              str：%p\n", str);
	printf("\n堆区-动态申请地址\n");
	printf("                   %p\n", p1);
	printf("                   %p\n", p2);
	printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
	printf("\n.bss段\n");
	printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
	printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
	printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
	printf("\n.data段\n");
	printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
	printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
	printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
	printf("\n文字常量区\n");
	printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);
	printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);
	printf("\n代码区\n");
	printf("程序区地址       ：%p\n",&main);
	printf("函数地址         ：%p\n",&output);
	return 0;
}

2、编译输出

3、烧录

打开串口调试助手，打开串口后，按一下 RESET 键，显示结果：

4、分析说明

与Ubuntu一样，stm32的栈区的地址值是从上到下减小的，堆区则是从上到下增长的。从每个区来看，地址值是从上到下逐步减小的，即栈区的地址是高地址，代码区的地址是处于低地址。

1.3、keil下stm32存储观察

stm32数据的存储位置

1、RAM（随机存取存储器）
存储的内容可通过指令随机读写访问。RAM中的存储的数据在掉电是会丢失，因而只能在开机运行时存储数据。其中RAM又可以分为两种，一种是Dynamic RAM(DRAM动态随机存储器),另一种是Static RAM(SRAM,静态随机存储器)。栈、堆、全局区（.bss段、.data段）都是存放在RAM中。
2、ROM（只读存储器）
只能从里面读出数据而不能任意写入数据。ROM与RAM相比,具有读写速度慢的缺点。但由于其具有掉电后数据可保持不变的优点，因此常用也存放一次性写入的程序和数据，比如主版的BIOS程序的芯片就是ROM存储器。代码区和常量区的内容是不允许被修改的，所以存放于ROM中。

查看：

分析说明：

从图片中可以看出ROM的地址分配是从0x8000000开始，整个大小为0x40000，这个部分用于存放代码区和文字常量区。RAM的地址分配是从0x20000000开始，其大小是0xC000，这个区域用来存放栈、堆、全局区（.bss段、.data段）。与代码结果显示进行对比，也可以看出对应得部分得地址与设置的是相对应的。

三、总结

通过对C语言程序里全局变量、局部变量、堆、栈等概念的重温以及在不同平台进行编程验证，熟悉掌握了C语言中相关概念，并对整体的内存地址分配由高到低，以及栈区内存地址由高到低方向生长，堆区内存地址由低到高方向生长进行了验证。经过本次实验，主要是对C程序的内存分配有进一步的认识，知道一个C程序内存应该包括哪些部分。其中，主要是程序段、数据段、堆栈三个部分。不同系统下面，区域内的地址值变化是不相同。总的来说，是对内存的分配有了比较新的认识。

四、参考资料

https://blog.csdn.net/qq_43279579/article/details/110308101

https://blog.csdn.net/ssj925319/article/details/110727925?spm=1001.2014.3001.5501

USART串口通信：

链接: https://pan.baidu.com/s/1YspOK2I3Ddm5XntKXKRnXA

提取码: emev

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