C語言內存分布圖
C語言內存分布
原文章在這里：https://blog.csdn.net/love_gaohz/article/details/41310597
一.
在學習之前我們先看看ELF文件。
ELF分為三種類型：.o 可重定位文件(relocalble file)，可執行文件以及共享庫(shared library)，三種格式基本上從結構上是一樣的，只是具體到每一個結構不同。下面我們就從整體上看看這3種格式從文件內容上存儲的方式，spec上有張圖是比較經典的：如上圖：
其實從文件存儲的格式來說，上面的兩種view實際上是一樣的，Segment實際上就是由section組成的，將相應的一些section映射到一起就叫segment了,就是說segment是由0個或多個section組成的，實際上本質都是section。在這里我們首先來仔細了解一下section和segment的概念：section就是相同或者相似信息的集合，比如我們比較熟悉的.text .data .bss section，.text是可執行指令的集合，.data是初始化后數據的集合，.bss是未初始化數據的集合。實際上我們也可以將一個程序的所有內容都放在一起，就像dos一樣，但是將可執行程序分成多個section是很有好處的，比如說我們可以將.text section放在memory的只讀空間內，將可變的.data section放在memory的可寫空間內。
從可執行文件的角度來講，如果一個數據未被初始化那就不需要為其分配空間，所以.data和.bss一個重要的區別就是.bss並不占用可執行文件的大小，它只是記載需要多少空間來存儲這些未初始化數據，而不分配實際的空間。
可以通過命令 $ readelf -l a.out 查看文件的格式和組成。
二.
站在匯編語言的角度，一個程序分為：
數據段 -- DS
堆棧段 -- SS
代碼段 -- CS
擴展段 -- ES
站在高級語言的角度，根據APUE，一個程序分為如下段：
text
data (initialized)
bss
stack
heap
1.一般情況下，一個可執行二進制程序(更確切的說，在Linux操作系統下為一個進程單元，在UC/OSII中被稱為任務)在存儲(沒有調入到內存運行)時擁有3個部分，分別是代碼段(text)、數據段(data)和BSS段。這3個部分一起組成了該可執行程序的文件。
★★可執行二進制程序 = 代碼段(text)＋數據段(data)+BSS段★★
2.而當程序被加載到內存單元時，則需要另外兩個域：堆域和棧域。圖1-1所示為可執行代碼存儲態和運行態的結構對照圖。一個正在運行的C程序占用的內存區域分為代碼段、初始化數據段、未初始化數據段(BSS)、堆、棧5個部分。
★★正在運行的C程序 = 代碼段+初始化數據段(data)+未初始化數據段(BSS)+堆+棧★★
3.在將應用程序加載到內存空間執行時，操作系統負責代碼段、數據段和BSS段的加載，並將在內存中為這些段分配空間。棧亦由操作系統分配和管理，而不需要程序員顯示地管理；堆段由程序員自己管理，即顯示地申請和釋放空間。
4.動態分配與靜態分配，二者最大的區別在於:1. 直到Run-Time的時候，執行動態分配，而在compile-time的時候，就已經決定好了分配多少Text+Data+BSS+Stack。2.通過malloc()動態分配的內存，需要程序員手工調用free()釋放內存，否則容易導致內存泄露，而靜態分配的內存則在進程執行結束后系統釋放(Text, Data), 但Stack段中的數據很短暫，函數退出立即被銷毀。
圖1-1（從可執行文件a.out的角度來講，如果一個數據未被初始化那就不需要為其分配空間，所以.data和.bss一個重要的區別就是.bss並不占用可執行文件的大小，它只是記載需要多少空間來存儲這些未初始化數據，而不分配實際的空間）
三.
代碼段 --text（code segment/text segment）
text段在內存中被映射為只讀，但.data和.bss是可寫的。
text段是程序代碼段，在AT91庫中是表示程序段的大小，它是由編譯器在編譯連接時自動計算的，當你在鏈接定位文件中將該符號放置在代碼段后，那么該符號表示的值就是代碼段大小，編譯連接時，該符號所代表的值會自動代入到源程序中。
數據段 -- data
data包含靜態初始化的數據，所以有初值的全局變量和static變量在data區。段的起始位置也是由連接定位文件所確定，大小在編譯連接時自動分配，它和你的程序大小沒有關系，但和程序使用到的全局變量，常量數量相關。數據段屬於靜態內存分配。
bss段--bss
bss是英文Block Started by Symbol的簡稱，通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內存區域，在程序載入時由內核清0。BSS段屬於靜態內存分配。它的初始值也是由用戶自己定義的連接定位文件所確定，用戶應該將它定義在可讀寫的RAM區內，源程序中使用malloc分配的內存就是這一塊，它不是根據data大小確定，主要由程序中同時分配內存最大值所確定，不過如果超出了范圍，也就是分配失敗，可以等空間釋放之后再分配。BSS段屬於靜態內存分配。
stack：
棧(stack)保存函數的局部變量（但不包括static聲明的變量， static 意味着 在數據段中 存放變量），參數以及返回值。是一種“后進先出”（Last In First Out，LIFO）的數據結構，這意味着最后放到棧上的數據，將會是第一個從棧上移走的數據。對於哪些暫時存貯的信息，和不需要長時間保存的信息來說，LIFO這種數據結構非常理想。在調用函數或過程后，系統通常會清除棧上保存的局部變量、函數調用信息及其它的信息。棧另外一個重要的特征是，它的地址空間“向下減少”，即當棧上保存的數據越多，棧的地址就越低。棧（stack）的頂部在可讀寫的RAM區的最后。
heap:
堆(heap)保存函數內部動態分配內存，是另外一種用來保存程序信息的數據結構，更准確的說是保存程序的動態變量。堆是“先進先出”（First In first Out，FIFO）數據結構。它只允許在堆的一端插入數據，在另一端移走數據。堆的地址空間“向上增加”，即當堆上保存的數據越多，堆的地址就越高。
下圖是APUE中的一個典型C內存空間分布圖：
所以可以知道傳入的參數,局部變量,都是在棧頂分布,隨着子函數的增多而向下增長.
函數的調用地址(函數運行代碼),全局變量,靜態變量都是在分配內存的低部存在,而malloc分配的堆則存在於這些內存之上,並向上生長.
舉例1:
- #include <stdio h="">
- const int g_A = 10; //代碼段
- int g_B = 20; //數據段
- static int g_C = 30; //數據段
- static int g_D; //BSS段
- int g_E; //BSS段
- char *p1; //BSS段
- void main( )
- {
- int local_A; //棧
- int local_B; //棧
- static int local_C = 0; //數據段
- static int local_D; //數據段
- char *p3 = "123456"; //123456在代碼段，p3在棧上
- p1 = (char *)malloc( 10 ); //堆，分配得來得10字節的區域在堆區
- strcpy( p1, "123456" ); //123456{post.content}放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向 的"123456"優化成一塊
- printf("hight address\n");
- printf("-------------棧--------------\n");
- printf( "棧, 局部變量, local_A, addr:0x%08x\n", &local_A );
- printf( "棧, 局部變量,(后進棧地址相對local_A低) local_B, addr:0x%08x\n", &local_B );
- printf("-------------堆--------------\n");
- printf( "堆, malloc分配內存, p1, addr:0x%08x\n", p1 );
- printf("------------BSS段------------\n");
- printf( "BSS段, 全局變量, 未初始化 g_E, addr:0x%08x\n", &g_E, g_E );
- printf( "BSS段, 靜態全局變量, 未初始化, g_D, addr:0x%08x\n", &g_D );
- printf( "BSS段, 靜態局部變量, 初始化, local_C, addr:0x%08x\n", &local_C);
- printf( "BSS段, 靜態局部變量, 未初始化, local_D, addr:0x%08x\n", &local_D);
- printf("-----------數據段------------\n");
- printf( "數據段,全局變量, 初始化 g_B, addr:0x%08x\n", &g_B);
- printf( "數據段,靜態全局變量, 初始化, g_C, addr:0x%08x\n", &g_C);
- printf("-----------代碼段------------\n");
- printf( "代碼段,全局初始化變量, 只讀const, g_A, addr:0x%08x\n\n", &g_A);
- printf("low address\n");
- return;
- }
- </stdio>
運行結果：
- hight address
- -------------棧--------------
- 棧, 局部變量, local_A, addr:0xffa70c1c
- 棧, 局部變量,(后進棧地址相對local_A低) local_B, addr:0xffa70c18
- -------------堆--------------
- 堆, malloc分配內存, p1, addr:0x087fe008
- ------------BSS段------------
- BSS段, 全局變量, 未初始化 g_E, addr:0x08049a64
- BSS段, 靜態全局變量, 未初始化, g_D, addr:0x08049a5c
- BSS段, 靜態局部變量, 初始化, local_C, addr:0x08049a58
- BSS段, 靜態局部變量, 未初始化, local_D, addr:0x08049a54
- -----------數據段------------
- 數據段,全局變量, 初始化 g_B, addr:0x08049a44
- 數據段,靜態全局變量, 初始化, g_C, addr:0x08049a48
- -----------代碼段------------
- 代碼段,全局初始化變量, 只讀const, g_A, addr:0x08048620
- low address
注意：
編譯時需要-g選項，這樣才可以看elf信息；
readelf -a a.out
查看這個執行文件的elf信息，摘錄部分如下：重點注意其中data段，text段還要有bss段的地址，然后比較這個地址和上面的運行結果，是否是在elf文件的各個段的地址之內。
- Section Headers:
- [Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
- [ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
- [ 1] .interp PROGBITS 08048114 000114 000013 00 A 0 0 1
- [ 2] .note.ABI-tag NOTE 08048128 000128 000020 00 A 0 0 4
- [ 3] .gnu.hash GNU_HASH 08048148 000148 000020 04 A 4 0 4
- [ 4] .dynsym DYNSYM 08048168 000168 000070 10 A 5 1 4
- [ 5] .dynstr STRTAB 080481d8 0001d8 000058 00 A 0 0 1
- [ 6] .gnu.version VERSYM 08048230 000230 00000e 02 A 4 0 2
- [ 7] .gnu.version_r VERNEED 08048240 000240 000020 00 A 5 1 4
- [ 8] .rel.dyn REL 08048260 000260 000008 08 A 4 0 4
- [ 9] .rel.plt REL 08048268 000268 000028 08 A 4 11 4
- [10] .init PROGBITS 08048290 000290 000017 00 AX 0 0 4
- [11] .plt PROGBITS 080482a8 0002a8 000060 04 AX 0 0 4
- [12] .text PROGBITS 08048310 000310 0002e8 00 AX 0 0 16
- [13] .fini PROGBITS 080485f8 0005f8 00001c 00 AX 0 0 4
- [14] .rodata PROGBITS 08048614 000614 000326 00 A 0 0 4
- [15] .eh_frame PROGBITS 0804893c 00093c 000004 00 A 0 0 4
- [16] .ctors PROGBITS 08049940 000940 000008 00 WA 0 0 4
- [17] .dtors PROGBITS 08049948 000948 000008 00 WA 0 0 4
- [18] .jcr PROGBITS 08049950 000950 000004 00 WA 0 0 4
- [19] .dynamic DYNAMIC 08049954 000954 0000c8 08 WA 5 0 4
- [20] .got PROGBITS 08049a1c 000a1c 000004 04 WA 0 0 4
- [21] .got.plt PROGBITS 08049a20 000a20 000020 04 WA 0 0 4
- [22] .data PROGBITS 08049a40 000a40 00000c 00 WA 0 0 4
- [23] .bss NOBITS 08049a4c 000a4c 00001c 00 WA 0 0 4
- [24] .comment PROGBITS 00000000 000a4c 000114 00 0 0 1
- [25] .debug_aranges PROGBITS 00000000 000b60 000020 00 0 0 1
- [26] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 000b80 00003a 00 0 0 1
- [27] .debug_info PROGBITS 00000000 000bba 0001f4 00 0 0 1
- [28] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 000dae 00006f 00 0 0 1
- [29] .debug_line PROGBITS 00000000 000e1d 000058 00 0 0 1
- [30] .debug_frame PROGBITS 00000000 000e78 00003c 00 0 0 4
- [31] .debug_str PROGBITS 00000000 000eb4 00000d 00 0 0 1
- [32] .debug_loc PROGBITS 00000000 000ec1 000043 00 0 0 1
- [33] .shstrtab STRTAB 00000000 000f04 000143 00 0 0 1
- [34] .symtab SYMTAB 00000000 0015e8 000560 10 35 60 4
- [35] .strtab STRTAB 00000000 001b48 0002ad 00 0 0 1
- Key to Flags:
- W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
- I (info), L (link order), G (group), x (unknown)
- O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)
★★★★注意靜態變量初始化為零和全局靜態變量初始化為零的情況，都是存儲在bss段★★★★
從上面的elf文件可以看出，
[23] .bss NOBITS 08049a4c 000a4c 00001c 00 WA 0 0 4
[22] .data PROGBITS 08049a40000a40 00000c 00 WA 0 0 4
[12] .text PROGBITS 08048310000310 0002e8 00 AX 0 0 16
但是在結果中顯示： BSS段, 靜態局部變量, 初始化, local_C, addr:0x08049a58
（0x08049a58 大於0x08049a4c 屬於bss段）是初始化的靜態局部變量但是卻屬於bss段，為什么？
原因是：local_C是局部靜態變量但是卻初始化為零。這和沒有初始化，默認是零的情況一樣，都存儲在bss段，如果初始化為其他的值，那么local_C這個變量就會存儲在data段。
四
可執行文件大小由什么決定？
可執行文件在存儲時分為代碼段、數據段和BSS段三個部分。
【例一】
程序1:
int ar[30000];
void main()
{
......
}
程序2:
int ar[300000] = {1, 2, 3, 4, 5, 6 };
void main()
{
......
}
發現程序2編譯之后所得的.exe文件比程序1的要大得多。當下甚為不解，於是手工編譯了一下，並使用了/FAs編譯選項來查看了一下其各自的.asm，發現在程序1.asm中ar的定義如下：
_BSS SEGMENT
?ar@@3PAHA DD 0493e0H DUP (?) ; ar
_BSS ENDS
而在程序2.asm中，ar被定義為：
_DATA SEGMENT
?ar@@3PAHA DD 01H ; ar
DD 02H
DD 03H
ORG $+1199988
_DATA ENDS
區別很明顯，一個位於.bss段，而另一個位於.data段，兩者的區別在於：全局的未初始化變量存在於.bss段中，具體體現為一個占位符；全局的已初始化變量存於.data段中；而函數內的自動變量都在棧上分配空間。
.bss是不占用.exe文件空間的，其內容由操作系統初始化（清零）；而.data卻需要占用，其內容由程序初始化，因此造成了上述情況。
以上僅僅做為學習只用！！