C/C++ 内存布局

转自：http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2011/03/07/1975479.html

为什么需要知道C/C++的内存布局和在哪可以可以找到想要的数据？知道内存布局对调试程序非常有帮助，可以知道程序执行时，到底做了什么，有助于写出干净的代码。本文的主要内容如下：

源文件转换为可执行文件
可执行程序组成及内存布局
数据存储类别
一个实例
总结

源文件转换为可执行文件

源文件经过以下几步生成可执行文件：

1、预处理（preprocessor）：对#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等进行处理
2、编译（compiler）：将源码编译为汇编代码
3、汇编（assembler）：将汇编代码汇编为目标代码
4、链接（linker）：将目标代码链接为可执行文件

编译器和汇编器创建的目标文件包含：二进制代码（指令）、源码中的数据；链接器将多个目标文件链接成一个；装载器吧目标文件加载到内存。

图1 源文件到可执行文件的步骤

可执行程序组成及内存布局

通过上面的小节，我们知道将源程序转换为可执行程序的步骤，典型的可执行文件分为两部分：

代码段（Code），由机器指令组成，该部分是不可改的，编译之后就不再改变，放置在文本段（.text）。
数据段（Data），它由以下几部分组：

源程序编译后链接到一个以0地址为始地址的线性或多维虚拟地址空间。而且每个进程都拥有这样一个空间，每个指令和数据都在这个虚拟地址空间拥有确定的地址，把这个地址称为虚拟地址（Virtual Address）。将进程中的目标代码、数据等的虚拟地址组成的虚拟空间称为虚拟存储器（Virtual Memory）。典型的虚拟存储器中有类似的布局：

Text Segment (.text)
Initialized Data Segment (.data)
Uninitialized Data Segment (.bss)
The Stack
The Heap

如下图所示：

图2 进程内存布局

当进程被创建时，内核为其提供一块物理内存，将虚拟内存映射到物理内存，这些都是由操作系统来做的。

数据存储类别

讨论C/C++中的内存布局，不得不提的是数据的存储类别！数据在内存中的位置取决于它的存储类别。一个对象是内存的一个位置，解析这个对象依赖于两个属性：存储类别、数据类型。

存储类别决定对象在内存中的生命周期。
数据类型决定对象值的意义，在内存中占多大空间。

C/C++中由（auto、 extern、 register、 static）存储类别和对象声明的上下文决定它的存储类别。

1、自动对象（automatic objects）

auto和register将声明的对象指定为自动存储类别。他们的作用域是局部的，诸如一个函数内，一个代码块{***}内等。操作了作用域，对象会被销毁。

在一个代码块中声明一个对象，如果没有执行auto，那么默认是自动存储类别。
声明为register的对象是自动存储类别，存储在计算机的快速寄存器中。不可以对register对象做取值操作“&”。

2、静态对象（static objects）

静态对象可以局部的，也可以是全局的。静态对象一直保持它的值，例如进入一个函数，函数中的静态对象仍保持上次调用时的值。包含静态对象的函数不是线程安全的、不可重入的，正是因为它具有“记忆”功能。

局部对象声明为静态之后，将改变它在内存中保存的位置，由动态数据--->静态数据，即从堆或栈变为数据段或bbs段。
全局对象声明为静态之后，而不会改变它在内存中保存的位置，仍然是在数据段或bbs段。但是static将改变它的作用域，即该对象仅在本源文件有效。此相反的关键字是extern，使用extern修饰或者什么都不带的全局对象的作用域是整个程序。

一个实例

下面我们分析一段代码：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3  
 4 int a;
 5 static int b;
 6 void func( void )
 7 {
 8     char c;
 9     static int d;
10 }
11 int main( void )
12 {
13     int e;
14     int *pi = ( int *) malloc ( sizeof ( int ));
15     func ();
16     func ();
17     free (pi );
18     return (0);
19 }

程序中声明的变量a、b、c、d、e、pi的存储类别和生命期如下所述：

a是一个未初始化的全局变量，作用域为整个程序，生命期是整个程序运行期间，在内存的bbs段
b是一个未初始化的静态全局变量，作用域为本源文件，生命期是整个程序运行期间，在内存的bbs段
c是一个未初始化的局部变量，作用域为函数func体内，即仅在函数体内可见，生命期也是函数体内，在内存的栈中
d是一个未初始化的静态局部变量，作用域为函数func体内，即仅在函数体内可见，生命期是整个程序运行期间，在内存的bbs段
e是一个未初始化的局部变量，作用域为函数main体内，即仅在函数体内可见，生命期是main函数内，在内存的栈中
pi是一个局部指针，指向堆中的一块内存块，该块的大小为sizeof(int)，pi本身存储在内存的栈中，生命期是main函数内
新申请的内存块在堆中，生命期是malloc/free之间

用图表示如下：

图3 例子的内存布局

总结

本文介绍了C/C++中由源程序到可执行文件的步骤，和可执行程序的内存布局，数据存储类别，最后还通过一个例子来说明。可执行程序中的变量在内存中的布局可以总结为如下：

变量（函数外）：如果未初始化，则存放在BSS段；否则存放在data段
变量（函数内）：如果没有指定static修饰符，则存放在栈中；否则同上
常量：存放在文本段.text
函数参数：存放在栈或寄存器中

内存可以分为以下几段：

文本段：包含实际要执行的代码（机器指令）和常量。它通常是共享的，多个实例之间共享文本段。文本段是不可修改的。
初始化数据段：包含程序已经初始化的全局变量，.data。
未初始化数据段：包含程序未初始化的全局变量，.bbs。该段中的变量在执行之前初始化为0或NULL。
栈：由系统管理，由高地址向低地址扩展。
堆：动态内存，由用户管理。通过malloc/alloc/realloc、new/new[]申请空间，通过free、delete/delete[]释放所申请的空间。由低地址想高地址扩展。

作者：吴秦
出处：http://www.cnblogs.com/skynet/

posted @ 2011-12-08 20:46 墨白麒麟阅读(804) 评论(0) 编辑收藏举报

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