C语言数组在内存中是怎样表示的？

最近群里有位同学问“C语言中数组在内存中是怎样表示的”，今天我们就来聊一聊这个话题。

• 栈区，Stack
• 全局区，Global
• 堆区，Heap

1、数组与栈区

void arr_on_stack() {
    int arr[6];
  
    arr[0]=100;
    arr[1]=200;
    arr[2]=300;
    arr[3]=400;
    arr[4]=500;
    arr[5]=600;

    int a = arr[0];
}

我们定义了一个局部变量arr作为int类型的数组，然后分别将100-600写到了数组中。那么，数组arr在内存中是怎样表示的呢？

首先，我们编译一下：

# gcc -g -fno-stack-protector a.c

(gdb) disassemble arr_on_stack
Dump of assembler code for function arr_on_stack:
   0x0000000000400526 :     push   %rbp
   0x0000000000400527 :     mov    %rsp,%rbp
   0x000000000040052a :     movl   $0x64,-0x20(%rbp)
   0x0000000000400531 :    movl   $0xc8,-0x1c(%rbp)
   0x0000000000400538 :    movl   $0x12c,-0x18(%rbp)
   0x000000000040053f :    movl   $0x190,-0x14(%rbp)
   0x0000000000400546 :    movl   $0x1f4,-0x10(%rbp)
   0x000000000040054d :    movl   $0x258,-0xc(%rbp)
=> 0x0000000000400554 :    mov    -0x20(%rbp),%eax
   0x0000000000400557 :    mov    %eax,-0x4(%rbp)
   0x000000000040055a :    nop
   0x000000000040055b :    pop    %rbp
   0x000000000040055c :    retq
End of assembler dump.

我们在之前的文章《 函数在内存中是怎样表示的？ 》多次提到过，每个函数在运行起来后都有属于自己的栈帧，栈帧组成栈区，此时arr_on_stack这个函数的栈区在哪里呢？答案就在寄存器rbp中。

我们来看一下rbp寄存器指向了哪里？

(gdb) p $rbp
$3 = (void *) 0x7ffffffee2a0

0x000000000040052a :     movl   $0x64,-0x20(%rbp)

这行指令的含义是说把100(0x64)放到rbp寄存器减去0x20的地方，显然，这就是数组的开头，让我们来计算一下rbp寄存器减去0x20：

0x7ffffffee2a0(%rbp) - 0x20 =  0x7ffffffee280

(gdb) p &arr
$2 = (int (*)[6]) 0x7ffffffee280

哈哈，怎么样，是不是和我们猜想的一样，数组arr的确就放在了0x7ffffffee280这个位置，是这样存储的：

2、数组与全局区

同样看一段代码：

int global_array[6];

void arr_on_global() {
    global_array[0]=1;
    global_array[1]=2;
    global_array[2]=3;
    global_array[3]=4;
    global_array[4]=5;
    global_array[5]=6;

    int b = global_array[0];
}

同样使用# gcc -g -fno-stack-protector a.c编译，然后用gdb加断点在int b = global_array[0]这行代码，看下全局变量global_array的内存位置：

(gdb) p &global_array
$12 = (int (*)[6]) 0x601050 

gdb告诉我们数组global_array存放在内存0x601050这个地址上。

注意，0x601050这个地址和刚才看到的0x7ffffffee280这个地址相去甚远，这是为什么呢？

再看一下开局那张图：

全局区几乎在最底部，栈区在最顶部，所以相差很远。

接下来，让我们看看0x601050这个内存区域中到底保存了些啥？

我们使用命令x/6wd 0x601050，这个命令告诉gdb从0x601050这个位置开始以32bit为单位用10进制依次打印6次，让我们来看看打印的是什么？

(gdb) x/6wd 0x601050
0x601050 :        1      2      3      4
0x601060 :     5      6

哈哈，怎么样，是不是正是全局变量global_array中存放的内容：

这就是C语言中所谓的数组了， 无非就是从 0x601050到 0x601068这一段内存嘛 ，数组在全局区就是这么表示的！

3、数组与堆区

再来段代码：

void array_on_heap() {
    int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 6);
    arr[0] = 100;
    arr[1] = 200;
    arr[2] = 300;
    arr[3] = 400;
    arr[4] = 500;
    arr[5] = 600;

    int a = arr[0];
}

(gdb) p arr
$20 = (int *) 0x602010

注意，0x602010这个地址和刚才的全局数组global_array的地址0x601050比较接近，因为堆区和全局区挨得比较近，可以再回过头看一下开局那张图。

然后，我们同样使用x命令查看这个区域的内存内容：

(gdb)  x/6wd 0x602010
0x602010:       100     200     300     400
0x602020:       500     600

依然不出我们所料，这个区域保存的正是数组的值。