Memory Layout of C Programs

本文翻译自：Memory Layout of C Programs

C语言程序的典型内存表示由以下部分组成：

Text segment (i.e. instructions)(代码区)
Initialized data segment(全局初始化数据区/静态数据区/代码区ds)
Uninitialized data segment(bss)
Heap
Stack

一个正在运行的进程的典型内存布局：

1 Text Segment

文本段，也称为代码段或简称为文本，是object文件或内存中的程序部分之一，其中包含可执行指令。
作为内存区域，文本区应放置于堆区和栈区下方，防止堆栈的覆盖。

通常，文本段是可共享的，因此对于频繁执行的程序（例如文本编辑器、C 编译器、shell 等），只需要在内存中保存一个副本。此外，文本段通常是只读的，以防止程序意外修改其指令。

2 Initialized Data Segment

初始化数据区，通常简称为Data Segment(数据区)。数据区是程序虚拟地址空间的一部分，其包含了由程序员初始化的全局变量和静态变量。
需要注意的是：数据区并不是只读的，因为其中的变量可以在运行时更改。
该区可以进一步分为初始化只读区(initialized read-only area)和初始化读写区(initialized read-write area)。
例如：全局字符串char s[] = "hello world"或一个在 main 外面，类似 int debug=1 这样的语句将被存储在初始化的读写区域中。而像 const char* string = "hello world" 这样的全局 C 语句使字符串文字"hello world"存储在初始化的只读区域中，而字符指针变量 string 则存储在初始化的读写区域中。
再例如：static int i = 10 将存储在数据段中，全局 int i = 10 也将存储在数据段中。

3 Uninitialized Data Segment

未初始化的数据区通常称为“bss”区，以一个古老的汇编运算符命名，代表“block started by symbol”(由符号开始的块)。在程序开始执行前，该区中的数据被内核初始化为数字0。
未初始化的数据从数据段的末尾开始，包含所有初始化为零或没有显式初始化的全局变量和静态变量。
例如：一个声明为 static int i 的变量，将包含在 BSS 段中。声明为 int j 的全局变量也将包含在 BSS 段中。

4 Stack

统上，栈区与堆区相邻，并以相反的方向增长；当栈指针遇到堆指针时，则可用内存耗尽。（利用现代大地址空间和虚拟内存技术，它们几乎可以放置在任何地方，但它们通常仍以相反的方向增长。）
栈区包含程序栈，一个 LIFO(后进先出) 结构，通常位于内存高地址。在标准 x86 计算机体系结构上，它向零地址增长；在其他一些架构上增长方向相反。“栈指针”寄存器跟踪堆栈的顶部；每次将值“推入”堆栈时都会对其进行调整。为一个函数调用推送的一组值称为“堆栈帧”；堆栈帧至少包含一个返回地址。
栈中存储自动变量及每次调用函数时保存的信息。每次调用函数时，返回的地址和调用者环境的某些信息，例如一些机器寄存器，都保存在堆栈中。然后，新调用的函数在栈上为其自动和临时变量分配空间。这就是C语言中递归函数的工作方式。每次递归函数调用自身时，都会使用一个新的堆栈帧，因此一组变量不会干扰来自另一个函数实例的变量。

5 Heap

动态内存分配一般在堆区。
堆区从BSS段末尾开始，并向高地址增长。堆区由malloc、realloc、free管理，可以使用brk和sbrk系统调用来调整其大小(note that the use of brk/sbrk and a single “heap area” is not required to fulfill the contract of malloc/realloc/free; they may also be implemented using mmap to reserve potentially non-contiguous regions of virtual memory into the process’ virtual address space)。堆区由进程中的所有共享库和动态加载的模块共享。

6 Examples

size 命令报告文本、数据和 bss 段的大小（以字节为单位）。

Check the following simple C program

#include <stdio.h>
 
int main(void)
{
    return 0;
}

[narendra@CentOS]$ gcc memory-layout.c -o memory-layout
[narendra@CentOS]$ size memory-layout
text       data        bss        dec        hex    filename
960        248          8       1216        4c0    memory-layout

在程序中添加一个全局变量, 现在来看看bss区的大小。

#include <stdio.h>
 
int global; /* Uninitialized variable stored in bss*/
 
int main(void)
{
    return 0;
}

[narendra@CentOS]$ gcc memory-layout.c -o memory-layout
[narendra@CentOS]$ size memory-layout
text       data        bss        dec        hex    filename
960        248         12       1220        4c4    memory-layout

我们再添加一个仍然在bss区的静态变量

#include <stdio.h>
 
int global; /* Uninitialized variable stored in bss*/
 
int main(void)
{
    static int i; /* Uninitialized static variable stored in bss */
    return 0;
}

[narendra@CentOS]$ gcc memory-layout.c -o memory-layout
[narendra@CentOS]$ size memory-layout
text       data        bss        dec        hex    filename
960        248         16       1224        4c8    memory-layout

我们来初始化静态变量，这样它会被存入到数据区（DS）

#include <stdio.h>
 
int global; /* Uninitialized variable stored in bss*/
 
int main(void)
{
    static int i = 100; /* Initialized static variable stored in DS*/
    return 0;
}

[narendra@CentOS]$ gcc memory-layout.c -o memory-layout
[narendra@CentOS]$ size memory-layout
text       data        bss        dec        hex    filename
960         252         12       1224        4c8    memory-layout

我们来初始化全局变量

#include <stdio.h>
 
int global = 10; /* initialized global variable stored in DS*/
 
int main(void)
{
    static int i = 100; /* Initialized static variable stored in DS*/
    return 0;
}

[narendra@CentOS]$ gcc memory-layout.c -o memory-layout
[narendra@CentOS]$ size memory-layout
text       data        bss        dec        hex    filename
960         256          8       1224        4c8    memory-layout

Source:
http://en.wikipedia.org/wiki/Data_segment
http://en.wikipedia.org/wiki/Code_segment
http://en.wikipedia.org/wiki/.bss
http://www.amazon.com/Advanced-Programming-UNIX-Environment-2nd/dp/0201433079

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