程式是怎麼跑起來的

一句話重點

寫好的 .c / .cpp 要經過前置處理 → 編譯 → 組譯 → 連結四個步驟，才會變成 .exe。程式執行時，作業系統把它載入記憶體，資料依種類分別放在程式碼、唯讀資料、全域/靜態資料、heap、stack 幾個區域，每個區域的大小和「存在多久」都不一樣。

從原始碼到執行檔

按下 Ctrl+Shift+B 時，沙盒會呼叫 clang 完成下面四個步驟：

步驟	做什麼	自己試試（在 VS Code 的終端機）	產出
1. 前置處理	處理 # 開頭的指令：把 #include 的檔案內容整個貼進來、把 #define 的名字換成內容	clang -E playground\hello.c	展開後的原始碼（還是文字）
2. 編譯	檢查語法和型態，翻譯成組合語言	clang -S playground\hello.c	hello.s
3. 組譯	把組合語言變成機器碼	clang -c playground\hello.c	hello.o（目的檔）
4. 連結	把你的 .o 和函式庫接在一起，例如找到 printf 真正的程式碼	clang hello.o -o hello.exe	hello.exe

試試 clang -E，會發現短短幾行的程式被展開成上千行：<stdio.h> 的內容全部貼進來了。

錯誤出現在哪一步

錯誤種類	發生在	典型訊息	常見原因
編譯錯誤	步驟 2	error: expected ';' after expression	語法寫錯、型態不合、用了沒宣告的變數
連結錯誤	步驟 4	undefined symbol: foo	函式只有宣告沒有實作、名字拼錯、沒有 main
執行錯誤	執行時	Sanitizer 報告、stack overflow	編譯和連結都沒問題，但執行時出事，例如越界、除以 0

標頭檔裡放的是什麼

#include <stdio.h> 只是把 stdio.h 的內容貼進來。標頭檔裡主要是宣告，例如「printf 這個函式存在，參數長這樣」，讓編譯器能檢查你呼叫得對不對。printf 真正的程式碼在 C 執行環境的函式庫裡，到了步驟 4 才接上。

#include <…> 從系統的標頭檔資料夾找；#include "…" 先從原始檔所在的資料夾找，自己寫的標頭檔用這種寫法。

程式執行時的記憶體

區域	放什麼	什麼時候出現 / 消失	大小
程式碼	函式的機器碼	程式載入時 / 程式結束時	固定
唯讀資料	字串常值（例如 "hello"）、const 全域常數	同上	固定；寫入會讓程式當掉
全域 / 靜態資料	全域變數、static 變數	進入 main 之前就準備好，整個程式執行期間都在	編譯時就決定好
heap	malloc / new 配置的記憶體	你呼叫 malloc / new 時 / 你呼叫 free / delete 時	很大，受實體記憶體限制
stack	區域變數、函式參數、函式的返回位址	進入函式時 / 離開函式時（自動）	很小：Windows 預設只有 1 MB

印出各種變數的位址來看看：

memory_layout.c

/* 程式執行時，不同種類的變數放在記憶體的不同區域。
   印出它們的位址來看看（每次執行的位址可能不同，這是作業系統的安全機制 ASLR）。 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int global_var = 1;          /* 全域變數：放在「全域/靜態資料」區 */

void some_function(void) {}  /* 函式本身的機器碼：放在「程式碼」區 */

int main(void) {
    static int static_var = 2;               /* static 區域變數：也在「全域/靜態資料」區 */
    int local_var = 3;                       /* 一般區域變數：在 stack 上 */
    int *heap_var = malloc(sizeof(int));     /* malloc 配置的：在 heap 上 */
    const char *literal = "hello";           /* 字串常值：在唯讀資料區 */
    if (heap_var == NULL) return 1;

    printf("code   (function)      : %p\n", (void *)some_function);
    printf("rodata (string literal): %p\n", (const void *)literal);
    printf("data   (global)        : %p\n", (void *)&global_var);
    printf("data   (static local)  : %p\n", (void *)&static_var);
    printf("heap   (malloc)        : %p\n", (void *)heap_var);
    printf("stack  (local)         : %p\n", (void *)&local_var);

    free(heap_var);
    return 0;
}

在這台電腦執行的結果（Windows x64、clang 23、-O2，沒有開 Sanitizer）：

執行結果

code   (function)      : 00007FF62F7B1470
rodata (string literal): 00007FF62F7B3078
data   (global)        : 00007FF62F7B5000
data   (static local)  : 00007FF62F7B5004
heap   (malloc)        : 00000154F0F51F80
stack  (local)         : 00000019E30FF7D4

在 Compiler Explorer 開啟 ↗可以線上修改、執行；那邊是 Linux，有些結果會和 Windows 不同

在這台 Windows 電腦上，程式碼、唯讀資料、全域資料都在 00007FF6… 附近，這是執行檔被載入的位置；heap 和 stack 則在完全不同的地方。

課本上常見的圖是「stack 在最高的位址往下長，heap 在低的位址往上長」，那是 Linux 的典型配置，Windows 的實際位置不一樣（上面的結果裡，stack 反而比 heap 低）。要記住的重點是資料分成不同的區域，每個區域的生命週期和大小限制不同，而不是確切的位址。

stack 很小

stack 預設只有 1 MB，所以在函式裡宣告大陣列（例如 int a[1000000];，4 MB）會直接 stack overflow。大陣列有三種放法：

• 宣告成全域變數，或加上 static：放在全域/靜態資料區
• 用 malloc（C）或 std::vector（C++）：放在 heap
• 確定很小（幾 KB 以內）才放在 stack

變數的生命週期

區域變數在進入函式時建立、離開時消失；static 區域變數只在程式開始時建立一次，數值會一直保留：

lifetime.c

/* 區域變數每次呼叫都重新建立；static 區域變數只建立一次，數值會一直保留。 */
#include <stdio.h>

void count_calls(void) {
    int local = 0;         /* 每次呼叫都從 0 開始 */
    static int total = 0;  /* 只在程式開始時設成 0 一次 */
    local++;
    total++;
    printf("local = %d, total = %d\n", local, total);
}

int main(void) {
    count_calls();
    count_calls();
    count_calls();
    return 0;
}

在這台電腦執行的結果（Windows x64、clang 23、-O2，沒有開 Sanitizer）：

執行結果

local = 1, total = 1
local = 1, total = 2
local = 1, total = 3

在 Compiler Explorer 開啟 ↗可以線上修改、執行；那邊是 Linux，有些結果會和 Windows 不同

所以不能回傳區域變數的位址，因為函式結束後那塊 stack 空間就被回收、會被下一個函式拿去用：

int *bad(void) {
    int x = 42;
    return &x;   /* 錯：x 在函式結束時就消失了（clang 會警告） */
}

另外，沒有給初始值的區域變數內容是垃圾值；沒有給初始值的全域和 static 變數則保證是 0。

main 之前和之後

• 程式其實不是從 main 的第一行開始。在那之前，C 執行環境會先做準備工作，例如準備好 stdin / stdout；C++ 還會先執行全域物件的建構子。
• main 的回傳值會變成程式的結束代碼（exit code）。0 代表成功，沙盒的檢查會把非 0 當成執行錯誤。
• 程式結束時，作業系統會收回這個程式用過的全部記憶體。所以短短跑一下的練習程式就算有記憶體洩漏，也不會傷害電腦；但長時間執行的程式（伺服器、遊戲、瀏覽器）洩漏會一直累積，最後把記憶體用光。這就是為什麼要從練習開始養成「配置了就要釋放」的習慣。

常見陷阱

• 在函式裡宣告大陣列：超過 stack 大小，程式一開始就 stack overflow。
• 回傳區域變數的位址：函式結束後那塊記憶體已經不屬於它。
• 修改字串常值：char *s = "hi"; s[0] = 'H'; 會當掉，因為 "hi" 在唯讀資料區。要修改的話寫成陣列 char s[] = "hi";，它會把內容複製一份到可以寫入的地方。
• 使用沒有初始化的區域變數：內容是垃圾值，每次執行的結果可能都不同。-Wall 通常會警告。

用到這個主題的題目

• 01｜Hello, World! — ✔ 已完成

延伸閱讀

• cppreference：翻譯的階段（英文）
• cppreference：變數的儲存期間與生命週期（英文）
• 控制記憶體的必備指令

我的心得

（還沒寫）