Карта памяти программы на языке С

Скомпилированная программа С имеет четыре логически обособленные области памяти. Первая — это область памяти, содержащая выполнимый код программы. Во второй области хранятся глобальные переменные. Оставшиеся две области — это стек и динамически распределяемая область памяти (называется также динамической областью, динамически распределяемой областью, кучей и неупорядоченным массивом). Стек используется для хранения вспомогательных переменных во время выполнения программы. Здесь находятся адреса возврата функций, аргументы функций, локальные переменные и т.п. Текущее состояние процессора также хранится в стеке. Динамически распределяемая область памяти, или куча — это такая свободная область памяти, для получения участков памяти из которой программа вызывает функции динамического распределения памяти. На рис. 1 показано, как распределяется память во время выполнения программы. Но не следует забывать, что конкретное распределение может быть разным в зависимости от типа процессора и реализации языка.

Стек ↓

↑ Динамически распределяемая область памяти

Глобальные переменные

Код программы

Рис 1. Распределение памяти (карта памяти) при выполнении программ, написанной на языке C

Переме́нная в императивном программировании — поименованная, либо адресуемая иным способом область памяти, адрес которой можно использовать для осуществления доступа к данным. Данные, находящиеся в переменной (то есть по данному адресу памяти), называются значением этой переменной.

Статические и динамические переменные

Адрес поименованной ячейки памяти также может определяться как на этапе компиляции, так и во время выполнения программы. По времени создания переменные бывают статическими и динамическими. Первые создаются в момент запуска программы или подпрограммы, а вторые создаются в процессе выполнения программы.

Динамическая адресация нужна только тогда, когда количество поступающих на хранение данных заранее точно не известно. Такие данные размещают в специальных динамических структурах, тип которой выбирается в соответствии со спецификой задачи и с возможностями выбранной системы программирования. Это может быть стек, куча, очередь и т. п.

Спецификаторы класса памяти

Стандарт С поддерживает четыре спецификатора класса памяти:

extern

static

register

auto

Эти спецификаторы сообщают компилятору, как он должен разместить соответствующие переменные в памяти. Общая форма объявления переменных при этом такова:

спецификатор_класса_памяти тип имя переменой;

Спецификатор класса памяти в объявлении всегда должен стоять первым.

На заметку

Стандарты С89 и С99 из соображений удобства синтаксиса утверждают, что typedef — это спецификатор класса памяти. Однако typedef не является собственно спецификатором.

Где объявляются переменные

Объявление переменных может быть расположено в трех местах: внутри функции, в определении параметров функции и вне всех функций. Это - места объявлений соответсвенно локальных, формальных параметров функций и глобальных переменных.

Локальные переменные

Переменные, объявленные внутри функций, называются локальными переменными. В некоторых книгах по С они называютсядинамическими переменными^[2]. В этой книге используется более распространенный термин локальная переменная. Локальную переменную можно использовать только внутри блока, в котором она объявлена. Иными словами, локальная переменная невидима за пределами своего блока. (Блок программы — это описания и инструкции, объединенные в одну конструкцию путем заключения их в фигурные скобки.)

Локальные переменные существуют только во время выполнения программного блока, в котором они объявлены, создаются они при входе в блок, а разрушаются — при выходе из него. Более того, переменная, объявленная в одном блоке, не имеет никакого отношения к переменной с тем же именем, объявленной в другом блоке.

Чаще всего блоком программы, в котором объявлены локальные переменные, является функция. Рассмотрим, например, следующие две функции:

void func1(void)

{ int x;

x = 10;

}

void func2(void)

{

int x;

x = -199;

}

Целая переменная х объявлена дважды: один раз в func1() и второй — в func2(). При этом переменная х в одной функции никак не связана и никак не влияет на переменную с тем же именем в другой функции. Это происходит потому, что локальная переменная видима только внутри блока, в котором она объявлена, за пределами этого блока она невидима.

В языке С есть ключевое слово auto (спецификатор класса памяти), которое можно использовать в объявлении локальной переменной. Однако так как по умолчанию предполагается, что все переменные, не являющиеся глобальными, являются динамическими, то ключевое слово auto почти никогда не используется, а поэтому в примерах в данной книге отсутствует.

Из соображений удобства и в силу устоявшейся традиции все локальные переменные функции чаще всего объявляются в самом начале функции, сразу после открывающейся фигурной скобки. Однако можно объявить локальную переменную и внутри блока программы (блок функции — это частный случай блока программы). Например:

void f(void)

{

int t;

scanf("%d%*c", &t);

if(t==1) {

char s[80]; /* эта переменная создается только

при входе в этот блок */

printf("Введите имя:");

gets(s);

/* некоторые операторы ... */

}

/* здесь переменная s невидима */

}

В этом примере локальная переменная s создается при входе в блок if и разрушается при выходе из него. Следовательно, переменная s видима только внутри блока if и не может быть использована ни в каких других местах, даже если они находятся внутри функции, содержащей этот блок.

Объявление переменных внутри блока программы помогает избежать нежелательных побочных эффектов. Переменная не существует вне блока, в котором она объявлена, следовательно, "посторонний" участок программы не сможет случайно изменить ее значение.

Если имена переменных, объявленных во внутреннем и внешнем (по отношению к нему) блоках совпадают, то переменная внутреннего блока "прячет" (т.е. скрывает, делает невидимой) переменную внешнего блока. Рассмотрим следующий пример:

#include <stdio.h>

int main(void)

{

int x;

x = 10;

if(x == 10) {

int x; /* эта x прячет внешнюю x */

x = 99;

printf("Внутренняя x: %d\n", x);

}

printf("Внешняя x: %d\n", x);

return 0;

}

Результат выполнения программы следующий:

Внутренняя х: 99

Внешняя х: 10

В этом примере переменная х, объявленная внутри блока if, делает невидимой внешнюю переменную х. Следовательно, внутренняя и внешняя х — это два разных объекта. Когда блок заканчивается, внешняя х опять становится видимой.

В стандарте С89 все локальные переменные должны быть объявлены в начале блока, до любого выполнимого оператора. Например, следующая функция вызовет ошибку компиляции в С89:

/* Эта функция вызывает ошибку компиляции

на компиляторе C89.*/

void f(void)

{

int i;

i = 10;

int j; /* ошибка в этой строке */

j = 20;

}

Однако в С99 (и в C++) эта функция вполне работоспособна, потому что в них локальная переменная может быть объявлена в любом месте внутри блока до ее первого использования.

Так как локальные переменные создаются и уничтожаются при каждом входе и выходе из блока, их значение теряется каждый раз, когда программа выходит из блока. Это необходимо учитывать при вызове функции. Локальная переменная создается при входе в функцию и разрушается при выходе из нее. Это значит, что локальная переменная не сохраняет свое значение в период между вызовами (однако можно дать указание компилятору сохранить значение локальной переменной, для этого нужно объявить ее с модификатором static).

По умолчанию локальные переменные хранятся в стеке. Стек — динамически изменяющаяся область памяти. Вот почему в общем случае локальные переменные не сохраняют свое значение в период между вызовами функций.

Локальные переменные можно инициализировать каким-либо заранее заданным значением. Это значение будет присвоено переменной каждый раз при входе в тот блок программы, в котором она объявлена. Например, следующая программа напечатает число 10 десять раз:

#include <stdio.h>

void f(void);

int main(void)

{

int i;

for(i=0; i<10; i++) f();

return 0;

}

void f(void)

{

int j = 10;

printf("%d ", j);

j++; /* этот оператор не влияет на результат */

}