1 C/C++程序的执行步骤

1、源程序：用高级编程语言编写，C++源程序以.cpp作为后缀。

2、对源程序进行编译：编译以源程序文件为单位分别进行编译，Windows系统中的目标程序以.obj作为后缀。编译的作用是进行语法和词法检查。编译系统给出的错误信息一般包括错误和警告。

（1）#define命令在编译预处理时替换符号常量。

（2）静态变量和外部变量的初始化在编译阶段完成。

3、将目标程序链接：将一个程序的所有目标程序和系统的库文件以及系统提供的其他信息连接起来，最终形成一个可执行的二进制文件。

链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接，也就是将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来，使得所有的这些目标文件成为一个能够被操作系统装入执行的统一整体。在此过程中会发现被调用的函数未被定义。

4、运行程序。

（1）    局部变量的初始化在运行程序阶段执行。

（2）    函数的形式参数并不占用内存存储单元，在函数发生调用时，形参才被分配内存单元，以便接收从实参传来的数据。在调用结束后，形参所占的内存单元被释放。

2 程序的内存分配 

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分 

（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。 
（3）全局区（静态区）（static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 程序结束后有系统释放 
（4）文字常量区：常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放 
（5）程序代码区：存放函数体的二进制代码。

例子程序 ：

//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。 
    strcpy(p1, "123456"); //” 123456”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. 堆和栈的理论知识 

3.1申请方式 

stack: 
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 
heap: 
需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数 
如char  *p1 = (char *)malloc(10); 
在C++中用new运算符 
如char  *p2 = (char *)malloc(10); 
但是注意p1、p2本身是在栈中的。 

3.2 申请后系统的响应 

    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。 
    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。 

3.3 申请大小的限制 

    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。 
    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。 

3.4 申请效率的比较： 

    栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。 
    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. 
    另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活 

3.5 堆和栈中的存储内容 

    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。 
    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。 

3.6 存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的； 
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的； 
    但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 
比如： 
#include <stdio.h> 
void main() 
{ 
char a = 1; 
char c[] = "1234567890"; 
char *p ="1234567890"; 
a = c[1]; 
a = p[1]; 
return; 
} 
对应的汇编代码 
10: a = c[1]; 
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 
11: a = p[1]; 
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。 

3.7 小结

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出： 
    使用栈就像我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是*度小。 
    使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且*度大。

堆和栈的区别主要分： 

操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。 
还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。 
虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。

4 变量的四大属性

变量遵循先定义后使用的基本原则。变量的四个属性：数据类型、存储类别、作用域和存储期。程序设计者只能声明变量的存储类别，通过存储类别确定变量的作用域和存储期（生命周期）。

作用域就是一个变量可以被引用的范围，如：全局作用域、文件作用域、局部作用域；而生命周期就是这个变量可以被引用的时间段。不同生命周期的变量，在程序内存中的分布位置是不一样的。一个程序的内存分为代码区、全局数据区、堆区、栈区，不同的内存区域，对应不同的生命周期。

（1）若全局变量仅在单个C文件中访问，则可以将这个变量修改为静态全局变量，以降低模块间的耦合度；若全局变量仅由单个函数访问，则可以将这个变量改为该函数的静态局部变量，以降低模块间的耦合度；

（2）设计和使用访问动态全局变量、静态全局变量、静态局部变量的函数时，需要考虑重入问题，因为他们都放在静态数据存储区，全局可见；

（3）如果我们需要一个可重入的函数，那么，我们一定要避免函数中使用static变量(这样的函数被称为：带“内部存储器”功能的的函数)

（4）函数中必须要使用static变量情况:比如当某函数的返回值为指针类型时，则必须是static的局部变量的地址作为返回值，若为auto类型，则返回为错误指针。

4.1 变量的数据类型

4.2 变量的存储类别

（1）静态局部变量：在函数中占用的存储单元不会消失，在下一次调用该函数时，该变量保留上一次函数调用结束时的值。

（2）静态局部变量在编译时赋初值，在其他函数中不能引用。

（3）如果定义时未对静态局部变量赋初值，编译器自动赋初值为0或空字符。对自动变量来说，如果不赋初值，则它的值是一个不确定的值。

（4）C++允许将局部变量的值放在CPU寄存器中，需要时直接从寄存器中取出参加运算，不必再到内存中去存取。使用register做声明。

（5）在一个文件内声明全局变量，就可以从声明位置起，合法地引用该全局变量。在多个文件之间使用外部变量的正确做法：在任何一个文件中定义外部变量，在另一个文件中用extern关键字对其做外部变量的声明。

（6）用static声明静态外部变量使得将某些外部变量只限于被本文件引用，而不能被其他文件引用。

4.3 变量的存储期

4.4 变量的作用域

（1）在一个函数中，既可以使用本函数定义的局部变量，又可以使用有效的全局变量。若全局变量与局部变量同名，全局变量会被屏蔽掉。

（2）全局变量增加了数据间数据联系的渠道。

（3）建议不在必要时不要使用全局变量：全局变量在整个程序执行过程中都占用存储单元；使得函数的通用性降低；降低程序的清晰性。

5 volatile关键字

volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。例如：在DSP开发中，经常需要等待某个事件的触发，所以经常会写出这样的程序：
short flag;
void test()
{
do1();
while(flag==0);
do2();
}

    这段程序等待内存变量flag的值变为1之后才运行do2()。变量flag的值由别的程序更改，这个程序可能是某个硬件中断服务程序。例如：如果某个按钮按下的话，就会对DSP产生中断，在按键中断程序中修改flag为1，这样上面的程序就能够得以继续运行。但是，编译器并不知道flag的值会被别的程序修改，因此在它进行优化的时候，可能会把flag的值先读入某个寄存器，然后等待那个寄存器变为1。如果不幸进行了这样的优化，那么while循环就变成了死循环，因为寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。为了让程序每次都读取真正flag变量的值，就需要定义为如下形式：
volatile short flag;
    需要注意的是，没有volatile也可能能正常运行，但是可能修改了编译器的优化级别之后就又不能正常运行了。因此经常会出现debug版本正常，但是release版本却不能正常的问题。所以为了安全起见，只要是等待别的程序修改某个变量的话，就加上volatile关键字。

5.1 volatile的本意是“易变的”

      由于访问寄存器的速度要快过RAM，所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。比如：
static int i=0;
int main(void)
{
...
while (1)
{
if (i) do_something();
}
}
/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
i=1;
}
    程序的本意是希望ISR_2中断产生时，在main当中调用do_something函数，但是，由于编译器判断在main函数里面没有修改过i，因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作，然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，导致do_something永远也不会被调用。如果变量加上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化（肯定执行）。此例中i也应该如此说明。
    一般说来，volatile用在如下的几个地方：
1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；
2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；
3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义；
另外，以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性（相互关联的几个标志读了一半被打断了重写），在1中可以通过关中断来实现，2中可以禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。

5.2 volatile 的含义

     volatile总是与优化有关，编译器有一种技术叫做数据流分析，分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效，分析结果可以用于常量合并，常量传播等优化，进一步可以死代码消除。但有时这些优化不是程序所需要的，这时可以用volatile关键字禁止做这些优化，volatile的字面含义是易变的，它有下面的作用： 
 1 不会在两个操作之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下，变量可能被其他的程序改变，编译器自己无法知道，volatile就是告诉编译器这种情况。
2 不做常量合并、常量传播等优化，所以像下面的代码： 
volatile int i = 1; 
if (i > 0) ... 
if的条件不会当作无条件真。 
3 对volatile变量的读写不会被优化掉。如果你对一个变量赋值但后面没用到，编译器常常可以省略那个赋值操作，然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。 

5.3 C关键字volatile与memory破坏描述符

    “memory”比较特殊，可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它，先介绍一下编译器的优化知识，再看C关键字volatile。最后去看该描述符。 
1、编译器优化介绍 
     内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存Cache，加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化：一种是在编写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器；调整指令顺序充分利用CPU指令流水线，常见的是重新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件（或者其他处理器）的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障（memory barrier），linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。 
void Barrier(void) 
     这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件无效，编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存，需要这些数据的时候再重新从内存中读出。 
2、C语言关键字volatile 
     C语言关键字volatile（注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__）表明某个变量的值可能在外部被改变，因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器，每次使用时需要重新存取。该关键字在多线程环境下经常使用，因为在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序通过该变量同步各个线程，例如： 
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) 
{ 
int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); 
*intSignal=2; 
while(*intSignal!=1) 
sleep(1000); 
return 0; 
} 
     该线程启动时将intSignal 置为2，然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变，否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出，即使在外部将它的值改为1，看一下对应的伪汇编代码就明白了： 
mov ax,signal 
label: 
if(ax!=1) 
goto label 
     对于C编译器来说，它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住，C 编译器是没有线程概念的！这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说，我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字，这时候，编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取，所作的循环变为如下面伪码所示： 
label: 
mov ax,signal 
if(ax!=1) 
goto label 
3、Memory 
      有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC： 
1）不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序；也就是在执行内嵌汇编代码之前，它前面的指令都执行完毕 
2）不要将变量缓存到寄存器，因为这段代码可能会用到内存变量，而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变，因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存，如果后面又访问这些变量，需要重新访问内存。 
     如果汇编指令修改了内存，但是GCC 本身却察觉不到，因为在输出部分没有描述，此时就需要在修改描述部分增加“memory”，告诉GCC 内存已经被修改，GCC 得知这个信息后，就会在这段指令之前，插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存，如果以后又要使用这些变量再重新读取。 
     使用“volatile”也可以达到这个目的，但是我们在每个变量前增加该关键字，不如使用“memory”方便。