C语言变量类型与内存

摘录：http://www.cppblog.com/oosky/archive/2006/01/21/2958.html
http://www.cnblogs.com/mjios/archive/2013/03/21/2973719.html

C语言有丰富的数据类型和运算符，因此计算能力非常强大，计算过程中使用的值一般用变量来存储。变量也是有分类型的，不同类型的变量有不同的存储类型、不同的生命周期、不同的作用域，C语言也提供了一些关键字来设置变量的属性(比如设置存储类型、生命周期)。

一、变量的作用域

C语言根据变量作用域的不同，将变量分为局部变量和全局变量。

1.局部变量

• 定义：在函数内部定义的变量，称为局部变量。形式参数也属于局部变量。
• 作用域：局部变量只在定义它的函数内部有效，即局部变量只有在定义它的函数内部使用，其它函数不能使用它。

2.全局变量

• 定义：在所有函数外部定义的变量，称为全局变量。
• 作用域：全局变量的作用范围是从定义变量的位置开始到源程序结束，即全局变量可以被在其定义位置之后的其它函数所共享。

int a;//全局变量int main () {    int b;//局部变量 }   

根据变量定义地方不同，决定了该变量的作用范围，因此有了局部和全局之分。

二、变量的生命周期

C语言根据变量的存储类型的不同，可以把变量分为：自动变量、静态变量、寄存器变量。变量的存储类型决定了变量何时创建、何时销毁以及它的值能保持多久，也就是决定了变量的生命周期。

1.自动变量

• 定义：被关键字auto修饰的局部变量都是自动变量，但是极少使用这个关键字，基本上是废的，因为所有的局部变量在默认情况下都是自动变量。
• 生命周期：在程序执行到声明自动变量的代码块(函数)时，自动变量才被创建；当自动变量所在的代码块(函数)执行完毕后，这些自动变量就会自行销毁。如果一个函数被重复调用，这些自动变量每次都会重新创建。

void test(int a, int b) {     int c = a + b;     auto int d; }

函数中的形参ab，变量中定义的cd都是局部变量。

2.静态变量

• 定义：所有的全局变量都是静态变量，或被关键字static修饰的局部变量也是静态变量。
• 生命周期：静态变量在程序运行之前创建，在程序的整个运行期间始终存在，直到程序结束。

#include <stdio.h>  int a;  void test() {      static int b = 0;      b++;      int c = 0;     c++;     printf("b=%d, c=%d \n", b, c); } int main() {     int i;    // 连续调用3次test函数     for (i = 0; i<3; i++) {         test();     }     return 0; }

第3行的变量a、第6行的变量b都是静态变量，第9行的变量c、第16行的变量i是自动变量。

因为第6行的变量b是静态变量，所以它只会被创建一次，而且生命周期会延续到程序结束。因为它只会创建一次，所以第6行代码只会执行一次，下次再调用test函数时，变量b的值不会被重新初始化为0。

注意：虽然第6行的变量b是静态变量，但是只改变了它的存储类型(即生命周期)，并没有改变它的作用域，变量b还是只能在test函数内部使用。

输出结果：

b=1,c=1b=2,c=1b=3,c=1

3.寄存器变量

• 定义：被关键字register修饰的自动变量都是寄存器变量；只有自动变量才可以是寄存器变量，全局变量和静态局部变量不行；寄存器变量只限于int、char和指针类型变量使用；
• 生命周期：因为寄存器变量本身就是自动变量，所以函数中的寄存器变量在调用该函数时占用寄存器中存放的值，当函数结束时释放寄存器，变量消失。

int main() {    register int a;     return 0; }

注意：由于计算机中寄存器数目有限，不能使用太多的寄存器变量。如果寄存器使用饱和时，程序将寄存器变量自动转换为自动变量处理
为了提高运算速度，一般会将一些频繁使用的自动变量定义为寄存器变量，这样程序尽可能地为它分配寄存器存放，而不用内存

三、变量与内存

变量定义方式的不同，其在内存中的保存方式也不相同，在程序中也体现为不同的作用域和生命周期。
有3个地方可以用于存储变量：普通内存（静态内存）、运行时堆栈（动态内存）、硬件寄存器。

1.堆栈

自动变量是存储在堆栈中的。

• 申请方式
  1.栈: 由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间
  2.堆: 需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数
  如p1 = (char *)malloc(10);
  在C++中用new运算符
  如p2 = (char *)malloc(10);
  但是注意p1、p2本身是在栈中的。

• 堆和栈的区别
  1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
  2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表

• 申请后系统的响应
  1.栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
  2.堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时， 会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

• 申请大小的限制
  1.栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
  2.堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

• 申请效率的比较
  1.栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
  2.堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

• 堆和栈中的存储内容
  1.栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。
  当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
  2.堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

• 总结
  局部变量定义后，便存入堆栈。比如函数开始时，首先会将下一执行语句执行地址入栈，接着形参入栈（从右往左），接着是函数中的局部变量（静态变量不入栈）。函数执行结束后，便按后进先出的原则，局部变量、形参逐个出栈，直到最后栈顶指针指向最开始存的下一语句执行地址，程序继续。
  由此可以理解看出，程序的运行本质就是对内存的操作，而不同的内存存储发式决定了程序的执行方式。
  一般自定义的局部变量存于栈；由程序员申请创建的内存空间的，如使用malloc，存于堆。
  栈的地址是连续的，而堆是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的。栈是一种线性结构，堆是一种链式结构，是两种不同的动态数据区。
  进程的每个线程都有私有的“栈”，所以每个线程虽然代码一样，但本地变量的数据都是互不干

├———————┤高端内存区域
│ …… │
├———————┤
│ 栈│ 向低地址扩展
├———————┤
│ …… │
├———————┤
│
├———————┤
│ 堆│ 向高地址扩展
├———————┤
│ …… │
├———————┤低端内存区域

2.静态内存

静态变量是存储在静态内存中的，也就是不属于堆栈。
静态变量的生命周期贯穿整个程序， 程序结束后由系统释放。

例子：

//main.cpp int a = 0; //全局初始化区 char *p1; //全局未初始化区 main() { int b; //栈 char s[] = "abc";// 栈 char *p2; //栈 char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。 static int c =0； //全局（静态）初始化区 p1 = (char *)malloc(10); p2 = (char *)malloc(20); //分配得来得10和20字节的区域就在堆区，但是注意p1、p2本身是在栈中的 strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。 } 

3.硬件寄存器

寄存器变量存储在硬件寄存器中，比存储在内存中的变量访问效率更高。