语言基础（5）：程序内存结构

1、C++进程内存分布

在C/C++程序进程内存分为：代码区、静态区、常量区、堆区、栈区，不同区域存放不同内容：

内存区	存放内容	说明
代码区	二进制代码	CPU可执行的机器指令，且是只读的
静态区	全局和静态变量	包括局部静态变量
常量区	程序在运行的期间不能够被改变的量	例如: 全局const修饰的变量，字符串常量”abcde”，数组的名字等
堆区	存放malloc()函数申请的内存	忘记free()会造成内存泄露，程序结束由系统回收 new申请的内存可能在这个区域，取决于new的实现
栈区	存放局部变量	函数内的局部变量、形参和函数返回值，超出数据作用域，被系统回收

几点需要注意：

代码区，不仅存放程序二进制代码，还包括程序中使用的立即数，例如程序中直接出现的数值，int a = 10；// 10就是立即数；

静态区(static), 全局变量和静态变量存放区（RW），内存中，初始化的全局和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和静态变量在相邻的另一块区域（ZI：ZeroInit）；

常量区，常变量和字符串常量、变量名等（RO：ReadOnly）；

程序需要在计算机硬件上运行起来，其实质就是静态可执行的文件加载到内存中的过程，可执行程序文件只是一个程序的载体，程序运行最终要在内存中进行。

所谓动和静就是指内存分配方式，程序被加载到内存中：

静态分配内存：是在程序编译和链接时就确定好的内存;

动态分配内存：是在程序加载、调入、执行的时候分配/回收的内存;

int a = 0;     // 静态区-初始化区
char *p1;    // 静态区-未初始化区（ZI） 
 
void main() 
{ 
    int b;    // 栈区 
    char s[] = "abc";     // "abc"在常量区，s在栈区。 
    char *p2;     // 栈 
    char *p3 = "123456";     // "123456\0", 在常量区，p3在栈区。 
    static int c =0；    // 全局（静态）初始化区
    
   /*   p1,p2存放在栈区，存放 malloc 内存的首地址
   *    分配得来得10和20字节的区域就在堆区。      */
    p1 = (char *)malloc(10); 
    p2 = (char *)malloc(20); 
    
    strcpy(p1, "123456");     // "123456\0" 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。 
}

#2、可执行文件结构可执行文件，以windows为例，后缀格式为 .exe (文件结构是PE格式，linux可执行文件没有格式后缀，文件是ELF格式)文件，它可以加载到内存中，并由操作系统加载程序执行，是可在操作系统存储空间中浮动定位的可执行程序。
##2.1 可执行文件结构通过dumpbin（win）、objdump（linux）可以查看可执行文件结构： - .text：也称为代码段(Code)，用来存放程序执行代码，同时也可能会包含一些常量（如一些字符串常量、立即数等），该段内存为静态分配，读写方式 RO（某些架构可能允许修改）。这块内存是共享的,当有多个相同进程(Process)存在时，共用同一个 .text 段。 - .data：也有的地方叫GVAR(global value)，用来存放程序中已经初始化的非零全局变量。静态分配。.data又可分为读写（RW）区域和只读（RO）区域。 - RW段则是普通非常全局变量，也包括静态变量； - RO段保存常量所以也被称为 .constdata （linux中是独立的段 .rodata）； - .bss 存放程序中为初始化的和零值全局变量，文件中并不分配存储空间，只记录变量空间大小。静态分配，在程序加载时通常会被清零（所以也叫ZI），读写方式 RW。 - stack：栈，存放Automatic Variables，按内存地址由高到低方向生长，其最大大小由编译时确定，速度快，但自由性差，最大空间不大，很明显该区域是 RW。 - heap：堆，自由申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存/虚拟内存上限决定，速度较慢，但自由性大，可用空间大。(每个线程都会有自己的栈，但是堆空间是共用的)，该区域RW。

进程空间结构内存映射结构

2.2 可执行文件和进程对应关系

一个程序需要运行起来，除了映射加载到内存中，还需要更多的空间，完成数据间的交互，否则这个程序就是死的。所以我们还需要为更多的数据和数据交互提供一块内存 —— 堆栈。

栈（stack）
该段对应进程栈区，用于编译期间就能确定存储大小的存储区，主要用于在函数作用域内创建，离开作用域后自动销毁的变量。也即用于局部变量、函数参数等。栈的存储空间是连续的，两个紧挨着定义的局部变量，他们的存储空间也是紧挨着的。栈是向低地址扩展的数据结构，工作方式和数据结构中的栈类似。栈的大小是有限的，VC++编译器的默认栈的大小为1MB，所以不要定义int a[1000000]这样的超大数组，否则就会发生栈溢出（stack overflow）问题。
堆（heap）
该段进程堆区，用于编译期间不能确定存储大小的变量的存储区，运行期间确定，它的存储空间是不连续的，一般由malloc（可能 new）函数来分配内存块，并且需要用free（delete）函数释放内存。如果没有释放，就会出现内存泄漏（memory leak）问题。堆是向高地址扩展的数据结构，工作方式和数据结构中的链表类似，所以会产生内存碎片。堆的大小受OS虚拟内存大小限制，理论上每个程序最大可达4GB。
.data
该段对应进程分配存储的变量和常量
- .data(RW)
  映射进程全局/静态区，用于编译期间就能确定存储大小的变量的存储区，但它用于在整个程序运行期间都可见的全局变量和静态变量（全局的、局部的）。
- .data(RO)/.constdata
  映射进程常量区，和“全局/静态存储区”一样，用于编译期间就能确定存储大小的常量的存储区，并且在程序运行期间，存储区内的常量是全局可见的，这是一块比较特殊的存储去，他们里面存放的是常量，不允许被修改。
- .bss
  该段同样映射进程全局/静态区，主要对应未初始化全局变量，紧邻.data(RW)内存空间，在编译期间就能确定存储大小，但是可执行文件中不分配存储，程序加载时进程分配内存；

注意：

堆向高内存地址生长；
栈向低内存地址生长；
堆和栈相向而生，堆和栈之间有个临界点，称为stkbrk。

3、程序进程映射示例

3.1 进程内存映射实例

假设有如下一段程序

int main(...) {
    fun_1(...);
    fun_2(...);
    fun_3(...);
    return 0;
}

那么对应的内存映射结构如下所示：
代码内存映射

3.2 函数帧栈

一个函数被调用时所建立的栈帧包含下面的信息：

被调函数的返回地址。返回地址是存放在被调用函数的栈帧里，还是主调函数的栈帧，取决于不同系统的实现；
主调函数的栈帧信息, 即栈顶和栈底；
为被调用函数的参数分配的空间（win 由右至左入栈，取决于不同系统的实现）；
为函数的局部变量分配的栈空间。

3.3 linux 对象文件结构实例（和win类似）

#reference [C/C++程序内存的各种变量存储区域和各个区域详解](https://blog.csdn.net/jirryzhang/article/details/79518408) [操作系统执行可执行程序时，内存分配是怎样的](http://nvzhuang.ping-jia.net/jieshao-758155935643838964.htm) [详细的可执行程序结构参考](https://blog.csdn.net/edonlii/article/details/8779075) [C/C++内存分配](https://www.cnblogs.com/yongdaimi/p/6495182.html) [heap 和 free store区别](https://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5060894.html)

posted @ 2017-11-23 22:49 ningKing 阅读(1250) 评论(0) 编辑收藏举报

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