Linux 上 C 程序的内存布局

在仔细研究这个问题之前，我认为 C 程序在内存中只有代码段，堆和栈三部分构成。前几天面试被问到了这个问题，才发现自己的印象是不完全的。

在本文中通过解析析一个 C 程序中变量和函数的地址来分析 C 程序在内存中的布局。

首先简单介绍一下Linux上C程序的内存分布。

一般情况下从低地址到高地址分布着：

• 程序代码段及只读数据段
  • 程序代码，以及字符串常量等都存储在这里
• 可读可写数据段
  • 全局变量，静态变量存储在这里　　
• 数据堆
  • 程序中动态分配的内存在这一块　
• 共享库
  • 程序加载的共享库加载在这个地方
• 数据栈
  • 局部变量，函数参数，函数返回地址等存储在这里
• 内核地址
  • 操作系统内核内存空间

C语言代码如下（var_memory.c）

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>

 #include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
 #include <errno.h>
 #include <argp.h>

 int global = ;
 static int static_global = ;

 int main()
 {
     char *string_literal = "hello";
     static int static_local = ;
     char local_array[] = {'a', 'b', 'c'};
     int *malloced = (int *)malloc(*sizeof(int));

     pid_t pid = getpid();
     printf("pid: %ld\n", (long)pid);

     // string_literaling literal and function in this module are loaded
     // into readonly and excutable segment
     printf("%.8p: addr of main\n", &main);
     printf("%.8p: addr of local string_literal literal\n", string_literal);
     puts("");

     // static and global variables are allocated in data segment
     printf("%.8p: addr of global int\n", &global);
     printf("%.8p: addr of global static int\n", &static_global);
     printf("%.8p: addr of local static int\n", &static_local);
     puts("");

     // allocated in heap
     printf("%.8p: addr of local malloc\n", malloced);
     puts("");

     // errno is from a library
     printf("%.8p: addr of errno\n", &errno);
     puts("");

     // printf is from a library
     printf("%.8p: addr of printf\n", &printf);
     puts("");

     printf("%.8p: addr of  argp_program_verstatic_localon_hook\n", & argp_program_version_hook);
     puts("");

     // local variable in stack
     printf("%.8p: addr of local pid\n", &pid);
     printf("%.8p: addr of local array\n", local_array);
     puts("");

     scanf("%s", local_array);
     return ;
 }

在linux命令行

make var_memory.c

生成var_memory可执行文件，运行

./var_memory

输出如下：

 pid:
 0x004b26dd: addr of main
 0x004b29d0: addr of local string_literal literal

 0x004b4008: addr of global int
 0x004b400c: addr of global static int
 0x004b4010: addr of local static int

 0x00d30160: addr of local malloc

 0xb7db86b4: addr of errno

 0xb7e0b1c0: addr of printf

 0xb7f8f798: addr of  argp_program_verstatic_localon_hook

 0xbf85518c: addr of local pid
 0xbf855198: addr of local array

打开另外一个终端窗口，根据上面输出的pid，运行命令

 pmap 4760 # 进程id以上面输出为准

输出如下

 :   ./var_memory
 004b2000      4K r-x-- var_memory
 004b3000      4K r---- var_memory
 004b4000      4K rw--- var_memory
 00d30000    136K rw---   [ anon ]
 b7db8000      8K rw---   [ anon ]
 b7dba000   1852K r-x-- libc-2.26.so
 b7f89000      4K ----- libc-2.26.so
 b7f8a000      8K r---- libc-2.26.so
 b7f8c000      4K rw--- libc-2.26.so
 b7f8d000     12K rw---   [ anon ]
 b7fbb000      8K rw---   [ anon ]
 b7fbd000     12K r----   [ anon ]
 b7fc0000      8K r-x--   [ anon ]
 b7fc2000    148K r-x-- ld-2.26.so
 b7fe7000      4K r---- ld-2.26.so
 b7fe8000      4K rw--- ld-2.26.so
 bf836000    132K rw---   [ stack ]
  total     2352K

从运行C语言程序与pmap的输出可以看出。

• main函数（0x004b26dd）和字符串常量（0x004b29d0）被分配在了内存区域
  • 004b2000      4K r-x-- var_memory，其中rx代表只读和可执行
• 全局变量global（0x004b4008），全局静态变量 static_global（0x004b400c），局部静态变量（0x004b4010）被分配在了数据段
  • 004b4000      4K rw--- var_memory，其中rw代表可以读和写
• 使用malloc分配的空间（0x00d30160）处在堆（heap）里
  • 00d30000    136K rw---   [ anon ]
• 共享库提供的全局变量errno（0xb7db86b4），被分配在共享库数据段里
  • b7db8000      8K rw---   [ anon ]
• 共享库提供的函数printf（0xb7e0b1c0），被分配在共享库代码段里
  • b7dba000   1852K r-x-- libc-2.26.so
• 局部变量（0xbf85518c，0xbf855198）被分配在了栈上
• bf836000    132K rw---   [ stack ]

希望这篇文章，对同样困惑于C程序在内存中布局的你有所帮助。