全局和局部变量的内存分配

Question

我了解到全局变量的内存是在程序启动时分配的，而局部变量的内存是在函数调用时分配的。

案例 1：
我声明了一个大小为 63500000 的全局整数数组，使用的内存为 256 MB
Ideone Link

include <stdio.h>
int a[63500000];
int main()
{
    printf ("This code requires about 250 MB memory\n");
    return 0;
}

案例 2：
我在 main() 中声明了一个相同大小的本地整数数组，使用的内存为 1.6 MB
Ideone link

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a[63500000]= {1,5,0};
    printf ("This code requires only 1.6 MB \n");
    //printf ("%d\n", a[0]);
    return 0;
}

案例 3：
我在另一个函数中声明了一个相同大小的本地整数数组，使用的内存为 1.6 MB
Ideone Link

#include <stdio.h>
void f()
{
    int a[63500000];
}

int main()
{
    f();
    return 0;
}

请解释为什么使用的内存有差异或者我的内存分配概念是错误的？？

Answer 1

案例 2、3

您在函数内部定义的变量在堆栈上分配。这意味着当函数退出时，相关的内存被清理（堆栈被“弹出”）。

案例 1

在全局范围内定义的变量分配在一个数据段（或者，通常是从操作系统请求的内存空间）中，该数据段存在于进程的生命周期中。

另外

使用 malloc 分配的内存是从堆中分配的，并且在使用 free 显式释放之前一直保持分配状态。

请注意，现代操作系统可能会提供程序请求的地址空间，但不会在内存（或通常称为 page 的内存的一部分）在物理上用 RAM 支持该地址空间物理访问。

Answer 2

case 2 和 case 3 会导致堆栈溢出，因为您要求 64 MB 堆栈内存，其中您的堆栈是在 Linux 上通常为 8 MB。这将导致随机的坏事和/或核心转储和崩溃。

this 的回答很好地解释了进程地址空间的各个部分（.text、.bss、.data）以及如何完成变量的各种分配。

Answer 3

首先：ideone编译器是GCC。

那么，当你编译这个时，GCC 做了什么？：

void foo ()
{
  int a[63500000];
}

gcc -S -O2 foo.c 生成：

foo:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    popl    %ebp
    ret

即什么都没有在堆栈上分配，根本没有。

该数组被 GCC 简单地优化掉了，因为它从未被使用过。

GCC 不会对全局执行此操作，因为可能在另一个编译单元中使用了全局，因此不确定它是否从未使用过。另外：全局在堆栈上不是（因为它是全局的）。

现在，让我们看看当您实际使用本地数组时会发生什么：

int bar (int a, int b, int c)
{
  int f[63500000];
  f[a] = 9;
  f[b] = 7;
  return f[c];
}

情况大不相同：

bar:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $254000000, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    $9, -254000000(%ebp,%eax,4)
    movl    12(%ebp), %eax
    movl    $7, -254000000(%ebp,%eax,4)
    movl    16(%ebp), %eax
    movl    -254000000(%ebp,%eax,4), %eax
    leave
    ret

这一行：subl $254000000, %esp 对应数组的大小。即内存是在堆栈上分配的。

现在，如果我尝试在程序中使用bar 函数会怎样：

int bar (int a, int b, int c)
{
  int f[63500000];
  f[a] = 9;
  f[b] = 7;
  return f[c];
}

int main (void)
{
  return bar (0, 0, 0);
}

我们已经看到，bar 函数在堆栈上分配了大约 250 兆字节。在我的默认 GNU/Linux 安装中，堆栈大小限制为 8MB。因此，当程序运行时，会导致“分段错误”。如果需要，我可以通过在 shell 中执行以下命令来增加它：

ulimit -s 1000000 #i.e. allow stack size to grow close to 1GB

然后我可以运行程序，它确实会运行。

ideone 网站失败的原因是他们在执行程序时限制了堆栈大小（他们应该这样做，否则恶意用户可能会弄​​乱他们的系统）。