C程序内存布局
> 关注公众号【高性能架构探索】，第一时间获取干货；回复【pdf】，免费获取计算机经典书籍
作为计算机专业的来说，程序入门基本都是从C语言开始的，了解C程序中的内存布局，对我们了解整个程序运行，分析程序出错原因，会起到事半功倍的作用 。
C程序的内存布局包含五个段，分别是STACK(栈段)，HEAP(堆段)，BSS（以符号开头的块），DS（数据段）和TEXT(文本段)。
每个段都有自己的读取，写入和可执行权限。如果程序尝试以不允许的方式访问内存，则会发生段错误，也就是我们常说的coredump。
段错误是导致程序崩溃的常见问题。核心文件（核心转储文件）也与段错误相关联，开发人员使用该文件来查找崩溃的根本原因（段错误）。
下面我们将深入这五个段，更加详细的讲解每个段在程序开发或者运行中的作用。
High Addresses ---> .----------------------.
| Environment |
|----------------------|
| | Functions and variable are declared
| STACK | on the stack.
base pointer -> | - - - - - - - - - - -|
| | |
| v |
: :
. . The stack grows down into unused space
. Empty . while the heap grows up.
. .
. . (other memory maps do occur here, such
. . as dynamic libraries, and different memory
: : allocate)
| ^ |
| | |
brk point -> | - - - - - - - - - - -| Dynamic memory is declared on the heap
| HEAP |
| |
|----------------------|
| BSS | Uninitialized data (BSS)
|----------------------|
| Data | Initialized data (DS)
|----------------------|
| Text | Binary code
Low Addresses ----> '----------------------'
栈
- 它位于较高的地址，与堆段的增长和收缩方向正好相反。
- 函数的局部变量存在于栈上
- 调用函数时，将在栈中创建一个栈帧。
- 每个函数都有一个栈帧。
- 栈帧包含函数的局部变量参数和返回值。
- 栈包含一个LIFO结构。函数变量在调用时被压入栈，返回时将函数变量从栈弹出。
- SP（栈指针）寄存器跟踪栈的顶部。
#include
int main(void) {
int data; // 局部变量，存储在栈上
return 0;
}
堆
- 用于在运行时分配内存。
- 由内存管理函数（如malloc、calloc、free等）管理的堆区域，这些函数可以在内部使用brk和sbrk系统调用来调整其大小。
- 堆区域由进程中的所有共享库和动态加载的模块共享。
- 它在堆栈的相反方向上增长和收缩。
#include
int main(void) {
char *pStr = malloc(sizeof(char)*4); //pStr指向堆地址
return 0;
}
BSS(未初始化的数据块)
- 包含所有未初始化的全局和静态变量。
- 此段中的所有变量都由零或者空指针初始化。
- 程序加载器在加载程序时为BSS节分配内存。
#include
int data1; // 未初始化的全局变量存储在BSS段
int main(void) {
static int data2; // 未初始化的静态变量存储在BSS段
return 0;
}
DS（初始化的数据块）
- 包含显式初始化的全局变量和静态变量。
- 此段的大小由程序源代码中值的大小决定，在运行时不会更改。
- 它具有读写权限，因此可以在运行时更改此段的变量值。
- 该段可进一步分为初始化只读区和初始化读写区。
#include
int data1 = 10 ; //初始化的全局变量存储在DS段
int main(void) {
static int data2 = 3; //初始化的静态变量存储在DS段
return 0;
}
TEXT
- 该段包含已编译程序的二进制文件。
- 该段是一个只读段，用于防止程序被意外修改。
- 该段是可共享的，因此对于文本编辑器等频繁执行的程序，内存中只需要一个副本。
深入
现在有一个简单的程序，代码如下:
#include
int main(void) {
return 0;
}
我们通过如下命令进行编译
gcc -g a.cc -o a
然后通过size命令，可以看到各个段的大小
[root@build src]# gcc a.c -o a
[root@build src]# size a
text data bss dec hex filename
1040 484 16 1540 604 a
其中前三列分别为可执行程序a的text、data以及bss段的大小，第四列为该三段大小之和，第四列为该大小的十六进制表示，最后一列是文件名。
增加一个未初始化的静态变量
#include
int main(void) {
static int data;
return 0;
}
通过size命令
[root@build src]# size a
text data bss dec hex filename
1040 484 24 1548 60c a
从上面可以看出，bss段size变大
增加一个初始化的静态变量
#include
int main(void) {
static int data = 10;
return 0;
}
通过size命令
[root@build src]# size a
text data bss dec hex filename
1040 488 16 1544 608 a
从上面可以看出，data段size变大
增加一个未初始化的全局变量
#include
int data;
int main(void) {
return 0;
}
通过size命令
[root@build src]# size a
text data bss dec hex filename
1040 484 24 1548 60c a
从上面可以看出，bss段size变大
数据段的只读区域和读写区域
#include
char str[]= "Hello world";
int main(void) {
printf("%s\n",str);
str[0]='K';
printf("%s\n",str);
return 0;
}
输出
Hello world
Kello world
可以看到上面的示例str是一个全局数组，因此它将进入数据段。 还可以看到能够更改该值，因此它具有读取和写入权限。
现在查看其他示例代码
#include
char *str= "Hello world";
int main(void) {
str[0]='K';
printf("%s\n",str);
return 0;
}
在上面的示例中，我们无法更改数组字符是因为它是文字字符串。常量字符串不仅会出现在数据部分，而且所有类型的const全局数据都将进入该部分。
数据块只读部分，通常除了const变量和常量字符串外，程序的文本部分（通常是.rodata段）也存在于数据块的只读部分，因为通常无法通过程序进行修改。
> 关注公众号【高性能架构探索】，第一时间获取干货；回复【pdf】，免费获取计算机经典书籍
