1. 再说说程序的内存结构
程序的内存结构，也叫内存布局，也叫存储映像。
1.1 什么是内存结构？
前面已经介绍过，其实就是程序运行时在内存中存储结构。
不管是裸机还是基于OS虚拟内存运行的情况，内存布局基本都差不多，所以我们这里只介绍程序基于OS虚拟内存运行时的内存布局，这个内存布局很重要，希望大家理解并记住它，至于说为什么重要，后面的课程会体现出来。
1.2 指令 与 数据的存放
程序在内存中存储时，就存储两个东西，一是指令，二是数据。
1.2.1 指令
指令存储在代码段中的.init和.text节中。
.init节：放启动代码相关的指令
.text节：主要放我们自己所写程序的指令
1.2.2 数据
（1）数据的存储形态
有两种存储形态，
1）第一种：数据存储在常量空间中
数据存储在常量空间中时，由于常量空间只能读不能写，因此常量保存的数据将一直不变。
2）第二种：数据存储在变量空间中
由于变量空间的读写权限为可读/可写，所以数据存在变量中时，是可以被新的数据改写的。
（2）常量
常量空间要求是只读的，在程序的内存布局中，只有代码段是只读的，因此常量空间肯定只能在代码段中。
在代码段中有两个地方可以用于开辟常量空间，一个是在.text中，另一个是在.rodata中。
1）在.text中的情况
此时，直接作为指令的一部分，放在了.text中。
比如：a = a + 100;
编译后100直接作为指令的一部分存储在了.text中，由于.text只能读不能写，因此数据100就保存在了常量中。
2）在.rodata中的情况
比如：
int a = 100;
printf("a = %d", a);
char *p = "hello world";字符串"a = %d"/"hello world"被保存在了.rodata中，由于.rodata是只读的，因此"a = %d"/"hello world的存储空间是一个常量，在一般情况下为了好称呼，我们直接将"a = %d"/"hello world”称为常量。
有关char *p = "hello world"这种情况，我们后面讲字符串时，还会详细的介绍到。
疑问：为什么不将这些字符串和指令一起直接保存在.text中
太长了，无法作为指令的一部分存储在.text中。
（2）变量
变量空间只能开辟于在数据段，因为只有数据段是可读可写的。
变量分为两种，一种是静态变量，另一种是动态变量。
· 静态变量：空间开辟于静态数据段（.data/.bss）
· 动态变量：空间开辟于动态数据段（堆/栈）
1） 静态变量
分两种情况，一个是在.data中，另一个是在.bss
· .data：初始化了的静态变量
· .bss：未初始化的静态变量
（a）.data
其实.data中的内容在编译时就决定好了，加载程序时，只需要将“可执行目标文件”的.data的内容，拷贝到内存即可。
初始化了的静态变量分两种：初始化了的全局变量 和 初始化了的静态局部变量，它们都在.data中。
+ 初始化了的全局变量
int a = 100;
int main(void)
{
...
}+ 初始化了的静态局部变量
int main(void)
{
static int a = 100;//main函数的初始化了的静态局部变量
...
}（b） .bss
同样两种情况：
+ 未初始化的全局变量
int a;
int main(void)
{
...
}+ 未初始化的静态局部变量
int main(void)
{
static int a;
...
}在“可执行目标文件”中，.bss并不存在，程序加载后才会开辟.bss的空间，然后再在.bss里面开辟未初始化静态变量的空间，并自动初始化为0。
这就是以前常说的，未初始化的全局变量和静态局部变量，会被自动初始化为0。
2） 动态变量
之所称为动态的，是因为变量空间并不是在编译时决定的，而是在程序运行时才有的。
动态变量分两种，一种是自动局部变量，另一种是手动开辟的变量。
· 自动局部变量：空间开辟在栈中
· 手动开辟的变量：空间开辟在堆中
（a）自动局部变量（开辟于栈中）
没有加static修饰的函数局部变量都是自动局部变量，我们这里将形参也归到自动局部变量里面。
为什么称为自动局部变量？
变量空间是函数运行时自动开辟，运行结束时自动释放的，所以把它称为“自动”的。
正是由于是自动开辟和释放的，因此栈也被称为自动存储区。
int fun(int a)//a形参
{
int b = 100;//没有加static修饰的局部变量
int c;
return a+b+c;
}a、b、c都是开辟于栈中。
疑问：编译得到可执行目标文件后，函数中的自动局部变量是一个什么样存在？
fun函数被编译后，自动局部变量的定义会变为操作栈的指令（压栈指令push、弹栈指令pop）
· 压栈
函数运行时会调用压栈指令，会将“栈顶指针”向低地址方向移动需要的字节数，挪出来的这个空间就是自动局部变量的空间。
- 如果有初始化的话，就将初始化值写到空间中。
- 如果没有初始化的话，空间中的内容就是别人之前使用后遗留的内容。
这就是我们以前常说的，如果函数的自动局部变量不初始化的话，就是一个随机值。
旁注：有关局部变量随机值问题。
随机值其实是一个隐患，因为如果程序在运算时使用了不确定的随机值的话，会给程序的功能带来不确定的影响。
比如程序控制的是机械设备的话，这种随机值是非常要不得的，如果程序进行控制运算时使用了随机值，设备的机械运动可能会出现无法预测的结果，这是非常危险的。
因此我们要求必须给自动局部变量赋一个明确的值，特别是指针变量更是如此，如果你不知道赋什么值，那最起码要赋一个NULL空指针，以防止出现因随机值所导致的野指针。
· 弹栈
调用函数中的弹栈指令时，栈顶指针会向高地址方向回退相应的字节数，这样就把变量的空间给释放出来了，释放时并不会对空间清0，因此这一次使用的值，就变成了下一次别人使用这个空间时的随机值。
（b）手动开辟的变量（开辟于堆中）
栈中空间是自动开辟和释放的，但是堆空间不是的，对于堆来说，需要程序员自己在程序手动的调malloc函数，按需从堆中分配空间，当不再需要该空间时，就调用free函数来释放。
因为堆空间是手动开辟和释放的，因此在堆也被称为手动存储区。
· malloc、free的使用举例
int main(void)
{
int *p = NULL;
p = malloc(4); //在堆中开辟4字节的空间，然后将首字节地址给p，以便访问空间
if(p == NULL)
{
printf("malloc fail\n");
exit(-1);//开辟空间失败就结束进程
}
bzero(p, 4); //将开辟的空间清零
*p = 100; //使用开辟的空间
free(p);//删除p所指向的4字节空间
}堆空间也存在和栈一样的随机值问题，所以我们从堆中开辟出空间后，必须主动清零，否者会影响写入的数据。
比如程序中调用bzero(p, 4)的目的，就是将p所指向的4个字节空间清0。
· 疑问：如果没有调用free来释放开辟的堆空间的话，程序运行结束后，堆空间会释放吗？
当然，程序结束后，不仅堆空间，所占用所有的空间都会释放。
· 疑问：既然程序终止时会释放所有堆空间，那为什么还需要调用free函数来释放呢？
因为真实的程序，很多一旦运行起来后会长时间运行，甚至有些可能会永久运行，如果程序在运行的过程中每次malloc后都不free的话，程序的堆空间会越用越少，严重的话堆和栈的空间会顶到一起，相互篡改数据，最后导致程序死机，对于很多重要程序来说是绝不能死机的，因为死机所带来的经济损失可能是非常巨大的。
其实正常情况下，栈和堆之间的空间距离非常大，如果正常操作（开辟后及时释放）的话，它们之间是不可能会碰到一起的，但是如果堆空降只开辟不释放的话，这种情况就有可能发生。
为了保证堆空间不会越用越少，及时调用free是必不可少的。
· 如何理解空间被占用
空间被占用从而导致可用空间不足的情况，与现实生活中仓库很像。
就好比你们家仓库是挺大的，但是就是每次放完东西后从来不清理，垃圾越来越多，最后导致仓库的空间全被垃圾占用，此时虽然仓库还是那个仓库，但是可用空间确是越来越少，严重时根本没有空间可用。
1.2.2 有关堆变量和栈变量，再提两句
（1）栈变量
从栈中开辟变量时，为了避免随机值带来的问题，一定要初始化
1）基于OS虚拟内存运行时，随机值来源有两个
（a）最开始时来自于子进程以前栈的遗留
（b）新程序运行一段段时间后，随机值来自于自己使用后的的遗留
2）裸机运行时
没有OS虚拟内存，不存在父进程一说，上电运行时内存默认就是清零的，所以随机值来自于自己使用后的遗留。
（2）堆变量
1）基于OS虚拟内存运行时，随机值来源有两个
（a）最开始时来自于子进程以前堆的遗留
（b）来自于自己使用后的遗留
2）裸机运行时
没有OS虚拟内存时，不存在父进程一说，所以随机值也是来自于自己使用后的遗留
3）malloc和free函数对堆内存的管理
（a）malloc从堆中开辟的变量空间往往大于实际想要的空间
malloc为了能够更好的管理堆内存，开辟空间时，并不是你想开辟多少，就刚好开辟多少，而是会做圆整处理，比如我想申请212字节，最终malloc实际开辟时会“圆整”为256。
这就好比你去开房，为了好管理房间，人家肯定是一间一间来管理的，你去跟前台说我开半间房，前台肯定会给“圆整”为整间房，凡是大块的内存管理都是这样的，都是按“块”来管理的，目的是为了提高管理效率。
疑问：圆整规则是怎样的?
这是malloc内部的算法机理，这个我们无需关心。
（b）如果忘了free，实际上导致的堆内存泄漏，要大于明面上所开辟的空间
这个道理很简单，我想开辟212字节，但是malloc实际上开辟了256字节，所以如果忘了free，实际泄露的堆内存空间为256，大于明面上的212字节。
有关malloc、free是如何管理堆内存的，这个属于malloc和free这两个函数的内部算法，我们作为应用程序开发者，其实无需关心，既然讲到这里了，我们就多说两句，作为了解即可。