深入分析C语言存储类型与用户空间内部分布

什么是存储类型？

在C语言中，存储类型用来指定变量或函数的存储方式。在编写程序时，程序员需要根据需求来合理地指定存储类型，以达到更好的程序效率和可维护性。

C语言中有以下4种存储类型：

1. 自动存储类型（auto）
2. 静态存储类型（static）
3. 寄存器存储类型（register）
4. 外部存储类型（extern）

自动存储类型

当一个函数被调用时，函数中自动变量都会被创建。当函数返回时，这些自动变量会被销毁。

void example() {
    int number1 = 1; // 自动存储类型
    auto int number2 = 2; // 自动存储类型
    printf("%d\n", number1 + number2);
}

在上面的例子中，number1和number2都是自动变量，它们在函数返回时都会被销毁。自动变量的作用域只在定义它们的代码块中。

静态存储类型

静态变量只在程序首次执行时被初始化，函数执行结束后，静态变量的值仍然保留在内存中，下次调用该函数时，会沿用上次执行后的值。

void example() {
    static int count = 0; // 静态存储类型
    count++;
    printf("%d\n", count);
}

int main() {
    example(); // 1
    example(); // 2
    example(); // 3
    return 0;
}

在上面的例子中，count是静态变量，它在第一次执行example()函数时被初始化，并在之后的执行中一直保留了它的值。

寄存器存储类型

使用register关键字，编译器会将变量存储在CPU的寄存器中，以便快速访问。

void example() {
    register int i = 0; // 寄存器存储类型
    for (i = 0; i < 1000000; i++) {
        do_something();
    }
}

在上面的例子中，i被指定为寄存器存储类型，这样循环中访问i的速度会更快，进而提高程序的执行效率。

外部存储类型

在C语言中，外部变量是在程序不同的文件中定义的全局变量。如果想在另一个文件中使用这些变量，需要在该文件中使用extern关键字来声明它们。

// file1.c
int a = 1; // 外部存储类型

// file2.c
extern int a; // 外部存储类型
void example() {
    printf("%d\n", a);
}

在上面的例子中，a是在file1.c中定义的全局变量，example()函数在file2.c中定义，并且使用extern来声明a变量，以便可以在example()函数中使用。

用户空间内部分布

在Linux系统中，用户空间内存被分成几个部分，其中主要分成代码段、数据段、BSS段、堆和栈。

1. 代码段：存储程序执行的指令。代码段的大小在程序运行前已经确定，并且代码段通常是只读的。
2. 数据段：存储程序中显示地初始化的全局变量和静态变量。变量的地址在程序运行前已经确定，并且除非程序显式地改变这些变量的值，否则程序的执行期间这些变量的值保持不变。
3. BSS段：存储所有未初始化的全局变量和静态变量。在程序运行前，BSS段中的内存单元都被设置为0。
4. 堆：存储程序中运行时分配的内存。堆的大小可以根据程序需要进行动态分配和释放。
5. 栈：存储函数调用时的局部变量和函数调用的参数。栈的大小在程序运行期间动态地变化。

示例说明

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

int a = 1; // 数据段

int main() {
    int b = 2; // 栈
    int *p = (int*)malloc(sizeof(int)); // 堆
    static int c = 3; // BSS段

    printf("%p\n", (void*)&a);
    printf("%p\n", (void*)&b);
    printf("%p\n", (void*)p);
    printf("%p\n", (void*)&c);
    return 0;
}

上面的代码中，变量a是一个全局变量，存储在程序的数据段中。变量b是在main()函数中定义的局部变量，存储在栈中。指针变量p是在堆中动态分配的内存空间的地址。变量c是静态变量，存储在BSS段中。

运行上面的程序，会输出各个变量的地址，可以发现它们在不同的用户空间内存分布中：

0x0x60104c
0x7ffd03f51ce4
0x55a9ece91950
0x601040

可以发现，这些变量在用户空间的不同部分中存储，具有不同的特点和作用。了解这些特点和作用可以帮助我们更好地理解和编写程序。