C程序内存布局

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。