分别声明和初始化的变量如何在内存中工作？

Question

我有一个关于计算机内存工作的问题。我试图自己得到答案，但我无法弄清楚它是如何工作的。所以，想象一下一个人声明一个指向未来字符串的指针的情况；但是，初始化会稍晚一点：

char *str; 

之后，他或她想要声明另一个变量。

char her;  

紧接着，两个变量都被初始化，它们的地址和值被打印到 STDOUT。整个程序是这样的：

int     main(void)
{
    char *str;
    char her;

    her = 'Y';
    str = "HelloMuraMana";
    printf("%p\n", (void *)&str);
    printf("%p\n", (void *)&(str[1]));
    printf("%p\n", (void *)&(str[2]));
    printf("%p\n", (void *)&(str[3]));
    printf("%p\n", (void *)&(str[4]));
    printf("%p\n", (void *)&her);
    return (0);
}    

现在，我的问题是：计算机如何为这两个变量（尤其是字符串字符）分配内存。我还想添加一张我的 macOS 机器结果显示给我的图片：

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编辑：
我对这里的内存工作方式特别感兴趣。另外，请注意 str[0] 有一个地址，而 str1、str[2]、str[3] 和 str[4] 有其他的，与第一个元素地址不连续。

Answer 1

就像我在评论中所说，事物在内存中具体化的细节会因平台而异。但是，这里有一个非常高级的视图，应该可以对事物的工作方式有所了解。

首先，在 C 编程语言的上下文中，对象可以具有以下几个存储持续时间之一：static、automatic、allocated 和 thread local。具有static 存储期限的对象在程序启动时立即分配，并在程序退出时释放。具有automatic 存储持续时间的对象在进入其封闭范围（函数或块）时分配，并在该范围退出时立即释放。具有allocated 存储持续时间的对象通过调用malloc/calloc/realloc 分配，并通过调用free 释放。我不会进入thread local，因为它与这个讨论并不真正相关。

当你的程序加载到内存中时，它的布局是这样的（假设 x86 或类似的）：

              +------------------------+
high address  | Command line arguments |   
              | and environment vars   |  
              +------------------------+
              |         stack          |  <-- str and her live here, but
              | - - - - - - - - - - -  |      only for the duration of main()
              |           |            |
              |           V            |
              |                        |
              |           ^            |
              |           |            |
              | - - - - - - - - - - -  |
              |          heap          |
              +------------------------+
              |    global and read-    | <-- "HelloMuraMana" lives here for 
              |       only data        |     duration of the program
              +------------------------+
              |     program text       |
 low address  |    (machine code)      |
              +------------------------+   

具体情况取决于您的系统。请注意，这是虚拟地址空间中的情况，而不是物理内存。

当您的程序运行时，从标记为stack 的区域分配auto 变量（函数参数和函数或块的局部变量，如her 和str）的存储空间。 allocated 对象的存储空间是从标记为heap 的区域分配的。

static 对象的存储以及像"HelloMuraMana" 这样的字符串文字 的存储取自不同的段；在上图中，它将是标记为global and read-only data 的段。根据您的系统，字符串文字可能存储在只读段中（例如.rodata 或.rdata），也可能存储在可写段中。 假定字符串文字是不可变的（因此称为“文字”），因此尝试修改字符串文字将导致未定义的行为。

在上面的布局中，全局数据对象的地址将低于堆栈或堆对象，这在您的输出中显示。变量str是在输入main时从栈中分配的；它的值是字符串字面量的地址，它是在程序第一次启动时从全局数据段分配的。

Answer 2

从概念上讲，当程序加载到内存中时，它有 3 个区域（段）：

• 代码段：你的程序的文本存储在这里（它是一个只读区域）
• 数据段：包含任何具有预定义值且可以修改的全局或静态变量
• 堆栈段：这里加载了调用函数。为每个函数调用压入堆栈的一组值（堆栈帧），其中包含函数的返回地址和局部变量。

在您的情况下，char her 变量是 main() 函数中的局部变量，它使用值 Y 初始化。因此，它存储在堆栈中并且可以修改。

char *str 变量是指向"HelloMuraMana\0" 地址的指针，"HelloMuraMana\0" 是位于代码段中的常量。作为一个只读区域，您不能修改它的内容。

Answer 3

你应该选择一个稍微简单的例子：

int     main(void)
{
    char *str;
    char her;

    her = 'Y';
    str = "HelloMuraMana";
    puts(str);
    putchar(her);
    return (0);
}    

和compile it into assembly 并检查：

.LC0:
        .string "HelloMuraMana"
main:
        pushq   %rbp                     
        movq    %rsp, %rbp               //frame setup
        subq    $16, %rsp                //allocate 2*8bit words for the 2 variables
        movb    $89, -1(%rbp)            //initialize her
        movq    $.LC0, -16(%rbp)         //initialize str
        movq    -16(%rbp), %rax          //prepare the argument to puts
        movq    %rax, %rdi
        call    puts                     //self-descriptive
        movsbl  -1(%rbp), %eax           //prepare the argument to putchar
        movl    %eax, %edi
        call    putchar                  //self-descriptive
        movl    $0, %eax                 //prepare the main return value
        leave
        ret

现在，从反汇编中可以看出，两个堆栈变量是通过堆栈指针减法分配的（subq $16, %rsp）（因为堆栈通常向下增长）。字符串字面量 char 数组是一个静态生命周期变量，它进入程序加载器将在程序加载时分配的段中。