认识计算机内存

指针是C语言中重要的数据类型，它赋予了C程序直接访问和修改内存中数据的能力。在学习指针之前，我们先来了解一下计算机中的内存。

早期计算机的内存只有千字节大小，随着计算机性能提升，计算机对内存大小的要求也随之提高，到目前为止，计算机内存已达到128GB，甚至更大。内存具有线性存储的特点，并且内存具有真实的物理地址映射，内存以1个字节作为存储单元，每存储单元具有唯一的地址编号。这意味着可以通过寻址的方式获取内存中的数据，即通过内存地址获取内存中的数据或修改内存中的数据。

计算机的虚拟内存地址与物理地址的映射如图1所示。

图1 虚拟地址和物理内存地址映射

在图1中，是4G内存空间的地址编号，左边是用十六进制表示的内存地址编号，右边是内存空间。内存空间中的每一个小方格代表一个bit位，每一行有8个方格（8bit），即一行代表的内存大小为1个字节，每一个字节都有一个地址编号。

真实的物理内存空间由操作系统虚拟内存映射进行管理，具有严格的地址区间划分。当运行程序时，操作系统会把程序装载到内存，并为其分配相应的内存空间，存储程序中的变量、常量、函数代码等。程序在内存中的分布区域如图2所示。

图2 进程的内存空间分布

由图2可知，当有程序运行时，操作系统将内存划分成7个部分，每一部分内存空间都有严格的地址范围。其中，灰色区域为程序可用部分。在内存中，每一段内存空间都有严格的内存地址范围。下面结合图2分别介绍内存空间各部分的名称及含义。

（1）系统内核空间：系统内核空间供操作系统使用，不允许用户直接访问。

（2）栈空间：用于存储局部变量等数据，在为局部变量分配空间时，栈总是从高地址空间向低地址空间分配内存，即栈内存的增长方式是从高内存地址到低内存地址。

（3）动态库内存空间：用于加载程序运行时链接的库文件。

（4）堆空间：由用户自己申请释放，其增长方式是从低到高。

（5）读/写数据内存空间：用于存储全局变量、静态全局变量等数据。

（6）只读代码/数据内存空间：用于存储函数代码、常量等数据。

（7）保留区间：保留区间是内存的起始地址，具有特殊的用途，不允许用户访问。

C语言程序编译运行过程中，主要涉及到的内存空间包括栈、堆、数据段、代码段，这四部分就是C程序员通常所说的内存四区，下面分别进行介绍。

（1）栈

栈（Stack）是用来存储函数调用时的临时信息区域，一般只有10兆左右大小的空间，栈顶地址和栈大小是系统预先规定好的。栈内存主要用于数据交换，如函数传递的参数、函数返回地址、函数的局部变量等。栈内存由编译器自动分配和释放。

（2）堆

堆（Heap）是不连续的内存区域，各部分区域由链表将它们串联起来。堆内存是由内存申请函数获取，由内存释放函数归还。若申请的内存空间在使用完成后不释放，会造成内存泄漏。堆内存的大小是由系统中有效的虚拟内存决定的，可获取的空间较大，而且获得空间的方式也比较灵活。

虽然堆区的空间较大，但必须由程序员自己申请，而且在申请的时候需要指明空间的大小，使用完成后需要手动释放。另外，由于堆区的内存空间是不连续的，容易产生内存碎片。

（3）数据段

数据段（Data）可分为三个部分，bss段、data段、常量区。其中，bss段用于存储未初始化或初始化为0的全局变量、静态变量；data段存储初始化的全局变量、静态变量；常量区存储字符串常量和其他常量存储。

（4）代码段

代码段也称为文本段（Text Segment），存放的是程序编译完成后的二进制机器码和处理器的机器指令，当各个源文件单独编译之后生成目标文件，经链接器链接各个目标文件并解决各个源文件之间函数的引用，可执行的程序指令通过从代码段获取得以运行。