C语言-内存分布（STM32内存分析）

C/C++内存分布

一、内存组成
二、静态区域
- - 文本段（Text / 只读区域 RO）
  - 已初始化读写数据段（RW data -- Initialized Data Segment）
  - 未初始化数据段（BSS -- Block Started by Symbol）
三、动态区域
- - 堆（heap）
  - 栈（stack）
四、STM32 内存分析
- - Flash区域
  - RAM区域
  - map文件分析

一、内存组成

根据动静特性可以将内存分为动态区域和静态区域，代码段（Code）、只读数据段（RO data）、读写数据段（RW Data）、未初始化数据段（BSS）属于静态区域。堆和栈属于动态区域。
在这里插入图片描述

二、静态区域

在这里插入图片描述

文本段（Text / 只读区域 RO）

通常代码段和只读数据段合成为文本段(Text), 包含实际要执行的代码（机器指令）和常量(常量区Ro data)，例如字符串常量等。它通常是共享的，多个实例之间共享文本段。文本段是不可修改的。

已初始化读写数据段（RW data – Initialized Data Segment）

已初始化数据是在程序中声明，并且具有初值的变量，这些变量需要占用存储器的空间，在程序执行时它们需要位于可读写的内存区域内，并具有初值，以供程序运行时读写。

未初始化数据段（BSS – Block Started by Symbol）

未初始化的全局变量和静态变量，程序运行之前不需要占用存储器的空间，BSS段的变量只有名称和大小却没有值。
BSS段主要是为了节省可执行文件在磁盘上所占的空间，其仅仅记录变量所需的大小。储存未初始化的，或初始化为0的全局变量和静态变量。 BSS段属于静态内存分配，所以放在RAM里。
对未初始化的大型数组的节省效率比较明显。举例如下：

static int a[10000];  
int main()  
{  
}

在上述程序中，若不存在 BSS 段，则可执行文件将开辟一个 10000 * sizeof(int) 大小的空间，并全部存储为0，int 为4字节的情况下，该变量将在磁盘上占用39KB的空间。但是此时若是存在BSS 段，则在可执行文件中，将只是记录现在的BSS段总大小为40000即可，而无需真正的占据39KB的空间.

代码优化对BSS段的影响：全局变量与静态变量没有初始化或初始化值为0时，都会放在.bss段。初始化为非0值，则放在.data段。考虑以下两个静态变量分别存储在哪个段中:

static int x1 = 1;  
static int x2 = 0;

很明显可以看出，X1将被发在.data段中。令人意外的是 X2 将被放置在 .bss 段中，因为 x2 的值为0，被认为是未初始化的，因此将会被放在 .bss 段中以节省磁盘空间。

三、动态区域

对于程序运行过程中的内存使用，堆和栈一般是相向扩展的。堆的分配由程序来分配，但是栈是由编译器管理的。
在这里插入图片描述

堆（heap）

堆内存只在程序运行时出现，一般由程序员分配和释放。在具有操作系统的情况下，如果程序没有释放，操作系统可能在程序（例如一个进程）结束后回收内存。注意它与数据结构中的堆是两回事，其操作方式类似于数据结构中的链表。
当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；
当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）。

FreeRTOS的内存分配有五个方案：如果申请的内存空间都在一个连续的空间内heap_4就够用了，但如果存在部分空间申请在内部RAM、部分在外部RAM，这时候就需要使用heap_5方案了，heap_5是在heap_4基础上实现的。

	特点	缺点
heap_1	简单、不支持内存释放	需要管理内存空间
heap_2	支持内存释放，不支持碎片管理	需要管理内存空间、碎片问题
heap_3	malloc-free操作简单	碎片问题
heap_4	支持碎片管理	需要管理内存空间
heap_5	支持多个不连续内存空间，碎片管理	需要管理内存空间

栈（stack）

栈内存只在程序运行时出现，在函数内部使用的局部变量、函数的参数以及返回值将使用栈空间，栈空间由编译器自动分配和释放。其操作方式类似于数据结构中的栈。

例一：静态存储区、栈区、堆区

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	char *a = "hello 1";	//静态存储区
	char b[] = "hello 2";	//栈区
	char *c = (char *)malloc(sizeof(b));	//堆区
	memcpy(c, "hello 3", sizeof(b));

	//a[2] = 'C';	//操作静态区会报错，只读不可修改
	b[2] = 'C';		//操作栈-修改成功
	c[2] = 'C';		//操作堆-修改成功
	printf(" a:%p %s\n b:%p %s\n c:%p %s\n",a,a,b,b,c,c);
    return 0;
}

程序运行结果如下

 a:0000000000404000 hello 1
 b:000000000061FE08 heClo 2
 c:00000000007F1400 heClo 3

四、STM32 内存分析

在对于RAM紧缺的嵌入式系统中，是缺少MMU内存管理单元的。因此在一些嵌入式系统中，比如常用的STM32来讲，内存映射被划分为闪存段（也被称为Flash，用于存储代码和只读数据）和 RAM段，用于存储读写数据。

在《ARM Cotrex-M3权威指南》中有关 M3的存储器映射表：
在这里插入图片描述

STM32的Flash和RAM地址范围，从图中我们可以看出，RAM地址是从0x2000 0000开始的，Flash地址是从0x8000 0000开始的。

Flash区域

在这里插入图片描述
如上图所示，Flash又可以分为这么几个部分。

分别是文本段（Text） ，其中文本段中又包含可执行代码（Executable Code）和常量（Literal Value），在文本段之后就是只读
数据区域（Read Only Data），当然并不是所有架构的单片机都满足这样一个排布规律，这里只针对于ARM Cortex M3系列的
只读数据段后面接着的就是数据复制段（Copy of Data Section），第一次遇见这个概念的朋友看到数据复制可能会有疑惑，其实这个段充当的作用是存放程序中初始化为非0值得全局变量的初始值之所以要将初始值存放到这里 是因为全局变量是存放在RAM上的，RAM上的值掉电便丢失，每次上电之后这些变量是要重新赋值的，而重新赋值的值就存放在这里 那为什么不存放初始化为0的全局变量的初始值呢，原因也很简单，既然是初始化为0，那么在上电之后统一对存放初始化为0的全局变量的那块区域清0就好。