数组存储在内存的哪里？

Question

我正在尝试理解C程序中的内存管理。 我知道内存中有以下几个部分：

1. 已初始化数据段
2. BSS
3. 栈
4. 堆
5. 代码

现在考虑以下程序：

#include <stdio.h>

int main(){
    int arr[4] = {1,2,3,4};
    int x = 10;

    printf("Hello World!");
}

在上面的程序中，arr和x都是在main函数内部局部声明的。我认为这意味着它们都将在函数堆栈上分配空间。然而，在Linux上运行size命令时，我发现数组实际上是在数据段中分配空间。

我在网上搜索过这个问题，但得到了矛盾的信息。有些答案说所有局部声明的变量都应该放在栈上，而另一些人则说数组应该放在堆上。我认为如果我在此示例中使用malloc动态分配内存，数组将进入堆中，但这不是情况。

- JANVI SHARMA

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请注意，您的初始化程序 {1,2,3,4} 将存储在程序映像的数据部分中。在运行时，如果您的程序甚至创建了数组变量（因为正如其他人所说，优化器可以删除没有影响的任何内容），它将在堆栈上为数组创建空间，然后将初始化程序复制到其中。或者，如果使用优化器，它可能会删除初始化程序并替换为内联寄存器设置指令。 - Zan Lynx

Answer 1

我在网上搜索了这个问题，但是找到的信息互相矛盾。 请不要阅读随机博客之类的东西，它们通常有错误的信息。在Stack Overflow上，错误的信息往往会被downvote或者至少会有评论指出其不准确和谬误。

在上面的程序中，arr和x都在main函数内部局部声明。我认为这意味着它们都会在函数堆栈上分配空间。 C标准没有指定如何为对象分配内存。它只指定对象具有存储期，定义了变量对象的生命周期。

静态对象将从程序开始一直存在到结束； 自动对象将在包含声明（或复合文字）的最内层块{...}的生存期内存在，直到块结束； 线程本地对象将拥有线程的寿命； 分配的对象将从malloc/calloc/realloc/aligned_alloc到相应的free/realloc。

注：原文中的“variables”被划去，我猜测是因为译者想用更加准确的“objects”代替。

除此之外，C标准规定对象在其生命周期内将会：

- 为其保留内存 - 拥有一个恒定的地址（可通过使用 & 运算符观察）

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现在，除此之外，还有所谓的“as-if”规则，它表示编译器可以生成任何程序代码，只要程序的外部行为相同，外部行为包括输入、输出、访问易失性对象等。

您程序中的变量具有自动存储期，这意味着每次进入主函数时，您将拥有具有新生命周期的新对象，直到主函数结束。通常，这意味着它们将存储在堆栈上，因为它将以最小的开销处理分配和释放。但是您的程序与其外部行为相同。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Hello World!");
}

这意味着编译器可以完全消除这两个变量，并且不为其保留任何空间。

现在，如果您打印这些变量的地址：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int arr[4] = {1,2,3,4};
    int x = 10;

    printf("Hello World! %p, %p\n", (void *)arr, (void *)&x);
}

因为变量的地址被使用并用于输出，C语言无法将它们优化掉。它们现在是否在堆栈上？好吧，C标准没有说明。它们需要从main函数开始至少具有生命周期直到结束 - 但是C编译器可以决定不在堆栈上使用它们，因为该程序的外部行为将保持不变。

#include <stdio.h>

static int arr[4] = {1,2,3,4};
static int x = 10;
    
int main(void) {
    printf("Hello World! %p, %p\n", (void *)arr, (void *)&x);
}

这将把这些变量放在静态数据段中；当然地址会不同，但是C语言并不保证特定对象在内存中的位置，只保证它们有地址。

- Antti Haapala -- Слава Україні

Answer 2

然而，当我在linux上运行size命令时，发现数组实际上是在数据段中分配空间的。 我认为您可能误解了您所看到的内容。 C标准对此没有说明。它只说arr具有自动存储期限。但是，大多数（如果不是全部）系统将在堆栈上保存x和arr。 尝试这个代码：

#include<stdio.h>

int main(){
    int arr[4] = {1,2,3,4};
    int x = 10;
    static int i = 0;

    printf("Hello World! arr is here %p and x is here %p\n", (void*)arr, (void*)&x);
    ++i;
    if (i < 3) main();
    
    return 0;
}

可能的输出：

可能的输出：

Hello World! arr is here 0x7ffcdaba4170 and x is here 0x7ffcdaba416c
Hello World! arr is here 0x7ffcdaba4140 and x is here 0x7ffcdaba413c
Hello World! arr is here 0x7ffcdaba4110 and x is here 0x7ffcdaba410c

即使这不是一个确凿的证据，它也强烈表明该系统正在使用堆栈，并且堆栈向较低地址增长，并且arr和x都存储在该堆栈上。

顺便说一下：以可移植的方式打印堆栈指针是不可能的，但这是一个不错的阅读材料：打印堆栈指针的值。

- Support Ukraine

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我明白你的观点。让我困惑的是，当我使用size a.out命令查找内存分配时。如果我不包括数组，只有一个变量，例如int i，那么内存就会有bss 8和data 600。但是当我将arr包含在程序中时，数据段变为608。现在，我尝试添加更多的变量，例如int a、b、c，并给它们一些值（否则它们可能会出现在BSS中！），但数据段没有改变！它仍然是608，如果我删除数组，它又变成了600！所以这就是让我困惑的地方。 - JANVI SHARMA

@JANVISHARMA 你可能忘记了，你本地数组的初始化值（即{1,2,3,4}）也可能存储在程序中。顺便说一下，我刚刚在 Compiler Explorer 上调试了你的示例。在那里，您可以看到本地数组的空间被考虑在 sub rsp, 40 中（将堆栈指针向下移动以分配本地变量的空间），但初始化只是使用 mov 进行的 - 没有常量数据（而我的 printf() 的常量字符串是有常量数据的）。 - Scheff's Cat

@JANVISHARMA 如果你想尝试我的链接示例，可以尝试将编译器选项从“-O2”更改为“-O0”...;-) - Scheff's Cat

Answer 3

C语言中程序的存储方式如下：

全局变量——>数据段

静态变量——>数据段

常量数据类型——>代码和/或数据。考虑到一个常量本身将被存储在数据段中，并且对它的引用将被嵌入到代码中，可以考虑字符串字面值。

在函数中声明和定义的局部变量——>栈

在主函数中声明和定义的变量——>堆和栈

指针（例如：char *arr, int *arr）——>堆数据或栈，具体取决于上下文。C允许您声明全局或静态指针，在这种情况下，指针本身将最终位于数据段中。

动态分配空间（使用malloc、calloc、realloc）——>堆和栈

值得一提的是，“栈”在官方上被称为“自动存储类”。

- Mohit Sharma