C语言内存四区底层原理详解：栈、堆、全局区与代码区解析

数据类型本质分析

1 数据类型的概念

• “类型”是对数据的抽象。
• 类型相同的数据有相同的表示形式、存储格式以及相关的操作。
• 程序中使用的所有数据都必定属于某一种数据类型。

2 数据类型的本质

• 数据类型可理解为创建变量的模具：是固定内存大小的别名。
• 数据类型的作用：编译器预算对象（变量）分配的内存空间大小。
• 注意：数据类型只是模具，编译器并没有分配空间。只有根据类型（模具）创建变量（实物）时，编译器才会分配空间。

变量的本质分析

1 变量的概念

概念：既能读又能写的内存对象，称为变量；若一旦初始化后不能修改的对象则称为常量。
变量定义形式：类型标识符，标识符，…，标识符；

2 变量的本质

• 程序通过变量来申请和命名内存空间 int a = 0。
• 通过变量名访问内存空间。

程序的内存四区模型

流程说明

• 操作系统把物理硬盘代码load到内存。
• 操作系统把C语言代码分成四个区。

• 操作系统找到main函数入口执行。

函数调用模型

函数调用变量传递分析

在函数调用过程中，理解不同内存区域变量的作用域和生命周期至关重要。这直接关系到程序的稳定性和指针的正确使用。

（1）Main函数栈区变量共享
main函数在栈区开辟的内存，所有被调用的子函数均可以使用。

（2）Main函数堆区变量共享
main函数在堆区开辟的内存（通过malloc等函数），所有子函数均可以使用。堆区的内存需要手动管理。

（3）子函数栈区变量共享
子函数1在栈区开辟的内存（如局部变量），子函数1自身和其直接调用的子函数2可以使用。但一旦子函数1执行结束，其栈帧被销毁，这部分内存就不应再被访问。

（4）另一种栈区共享场景
同样说明了子函数在栈区开辟内存的共享逻辑。

（5）全局区变量共享
子函数2在全局区开辟的内存（如全局变量或静态局部变量），子函数1和main函数均可以使用。全局区的生命周期贯穿整个程序运行周期。

栈的生长方向和内存存放方向

理解栈在内存中的生长方向对于深入理解函数调用、缓冲区溢出等概念很有帮助。

核心点：栈空间通常由高地址向低地址“生长”（压栈时栈顶指针减小）。而数组元素在内存中的存储，则是从低地址到高地址顺序存放。

相关代码示例

数据类型本质.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<time.h>

int main()
{
    int a;//告诉编译器，分配4个字节
    int b[10];//告诉编译器，分配4*10个字节

    /*
    类型本质：固定内存块大小别名
    可以通过sizeof()测试 
    */
    printf("sizeof(a)=%d,sizeof(b)=%d\n", sizeof(a), sizeof(b));

    //打印地址
    //数组名称，数组首元素地址，数组首地址
    printf("b:%d,&b:%d\n",b,&b);//地址相同

    //b，&b数组类型不同
    //b，数组首地址元素  一个元素4字节，+1 地址+4
    //&b,整个数组首地址  一个数组4*10=40字节， +1  地址+40
    printf("b+1:%d,&b+1:%d\n", b + 1, &b + 1);//不同

    //指针类型长度，32位机器32位系统下长度是 4字节
    //              64      64               8
    char********* p = NULL;
    int* q = NULL;
    printf("%d,%d\n", sizeof(p), sizeof(q));//4 , 4
    return 0;
}

给类型起别名.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<time.h>

typedef unsigned int u32;

//typedef 和结构体结合使用
struct Mystruct
{
    int a;
    int b;
};
typedef struct Mystruct2
{
    int a;
    int b;
}TMP;

/*
void 无类型
1.函数参数为空，定义函数时用void修饰   int fun(void)
2.函数没有返回值：使用void             void fun (void)
3.不能定义void类型的普通变量：void a;//err 无法确定是什么类型
4.可以定义 void* 变量 void* p;//ok   32位系统下永远是4字节
5.数据类型本质：固定内存块大小别名
6.void *p万能指针，函数返回值，函数参数

*/

int main()
{
    u32 t;//unsigned int

    //定义结构体变量，一定要加上struct 关键字
    struct Mystruct m1;
    //Mystruct m2;//err

    TMP m3;//typedef配合结构体使用
    struct Mystruct2 m4;

    printf("\n");
    return 0;
}

变量的赋值.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<time.h>

int main()
{
    //变量本质：一段连续内存空间别名
    //变量相当于门牌号，内存相当于房间
    int a;
    int* p;

    //直接赋值
    a = 10;

    printf("a=%d\n", a);

    //间接赋值
    printf("&a:%d\n", &a);
    p = &a;
    printf("p=%d\n", p);
    *p = 22;
    printf("*p=%d,a=%d\n", *p, a);

    return 0;
}

堆栈区分析.c

此代码是理解栈与堆区内存生命周期差异的经典案例。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<time.h>

char* get_str()
{
    char str[] = "abcdef";//内容分配在栈区，函数运行完毕后内存释放
    printf("%s\n", str);

    return str;
}

char* get_str2()
{
    char* temp = (char*)malloc(100);
    if (temp == NULL)
    {
        return NULL;
    }

    strcpy(temp, "abcdefg");
    return temp;
}

int main()
{
    char buf[128] = { 0 };

    //strcpy(buf,get_str());
    //printf("buf = %s\n", buf);//乱码，不确定内容

    char* p = NULL;
    p = get_str2();
    if (p != NULL)
    {
        printf("p=%s\n", p);
        free(p);
        p = NULL;
    }
    return 0;
}

静态局部变量.c

静态局部变量存储在全局区（静态区），其生命周期长于函数调用。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<time.h>

int* getA()
{
    static int a = 10;//在静态区，静态区在全局区
    return &a;
}

int main()
{
    int* p = getA();
    *p = 5;
    printf("%d\n", *p);
    return 0;
}

掌握内存四区模型是C语言从入门到精通的关键一步。它不仅是理解程序如何运行的基础，更是避免野指针、内存泄漏、缓冲区溢出等棘手问题的核心知识。希望本文的图解和代码示例能帮助你彻底搞懂这些概念。如果你想深入学习更多关于操作系统或系统编程的知识，欢迎到云栈社区与更多开发者交流探讨。