C++ 系列：内存布局

 

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为何须要知道C/C++的内存布局和在哪能够能够找到想要的数据？知道内存布局对调试程序很是有帮助，能够知道程序执行时，到底作了什么，有助于写出干净的代码。本文的主要内容以下：

• 源文件转换为可执行文件
• 可执行程序组成及内存布局
• 数据存储类别
• 一个实例
• 总结

一、源文件转换为可执行文件

源文件通过如下几步生成可执行文件：

• 一、预处理（preprocessor）：对#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等进行处理
• 二、编译（compiler）：将源码编译为汇编代码
• 三、汇编（assembler）：将汇编代码汇编为目标代码
• 四、连接（linker）：将目标代码连接为可执行文件

编译器和汇编器建立的目标文件包含：二进制代码（指令）、源码中的数据；连接器将多个目标文件连接成一个；装载器吧目标文件加载到内存。

 

 

图1 源文件到可执行文件的步骤

 

二、可执行程序组成及内存布局

经过上面的小节，咱们知道将源程序转换为可执行程序的步骤，典型的可执行文件分为两部分：

• 代码段（Code），由机器指令组成，该部分是不可改的，编译以后就再也不改变，放置在文本段（.text）。
• 数据段（Data），它由如下几部分组：
  • 常量（constant），一般放置在只读read-only的文本段（.text）
  • 静态数据（static data），初始化的放置在数据段（.data）；未初始化的放置在（.bss，Block Started by Symbol，BSS段的变量只有名称和大小却没有值）
  • 动态数据（dynamic data），这些数据存储在堆（heap）或栈（stack）

源程序编译后连接到一个以0地址为始地址的线性或多维虚拟地址空间。并且每一个进程都拥有这样一个空间，每一个指令和数据都在这个虚拟地址空间拥有肯定的地址，把这个地址称为虚拟地址（Virtual Address）。将进程中的目标代码、数据等的虚拟地址组成的虚拟空间称为虚拟存储器（Virtual Memory）。典型的虚拟存储器中有相似的布局：

• Text Segment (.text)
• Initialized Data Segment (.data)
• Uninitialized Data Segment (.bss)
• The Stack
• The Heap

以下图所示：

 

 

图2 进程内存布局

当进程被建立时，内核为其提供一块物理内存，将虚拟内存映射到物理内存，这些都是由操做系统来作的。

三、数据存储类别

讨论C/C++中的内存布局，不得不提的是数据的存储类别！数据在内存中的位置取决于它的存储类别。一个对象是内存的一个位置，解析这个对象依赖于两个属性：存储类别、数据类型。

• 存储类别决定对象在内存中的生命周期。
• 数据类型决定对象值的意义，在内存中占多大空间。

C/C++中由（auto、 extern、 register、 static）存储类别和对象声明的上下文决定它的存储类别。

1.1 自动对象（automatic objects）

auto和register将声明的对象指定为自动存储类别。他们的做用域是局部的，诸如一个函数内，一个代码块{***}内等。操做了做用域，对象会被销毁。

• 在一个代码块中声明一个对象，若是没有执行auto，那么默认是自动存储类别。
• 声明为register的对象是自动存储类别，存储在计算机的快速寄存器中。不能够对register对象作取值操做“&”。

1.2 静态对象（static objects）

静态对象能够局部的，也能够是全局的。静态对象一直保持它的值，例如进入一个函数，函数中的静态对象仍保持上次调用时的值。包含静态对象的函数不是线程安全的、不可重入的，正是由于它具备“记忆”功能。

• 局部对象声明为静态以后，将改变它在内存中保存的位置，由动态数据--->静态数据，即从堆或栈变为数据段或bbs段。
• 全局对象声明为静态以后，而不会改变它在内存中保存的位置，仍然是在数据段或bbs段。可是static将改变它的做用域，即该对象仅在本源文件有效。此相反的关键字是extern，使用extern修饰或者什么都不带的全局对象的做用域是整个程序。

 

四、一个实例

下面咱们分析一段代码：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

 

int a;

static int b;

void func()

{

    char c;

    static int d;

}

 

 

int main()

{

    int e;

    int* pi = (int*)malloc(sizeof(int));

    func();

    func();

   

    free(pi);

 

    return 0;

}

程序中声明的变量a、b、c、d、e、pi的存储类别和生命期以下所述：

• a是一个未初始化的全局变量，做用域为整个程序，生命期是整个程序运行期间，在内存的bbs段
• b是一个未初始化的静态全局变量，做用域为本源文件，生命期是整个程序运行期间，在内存的bbs段
• c是一个未初始化的局部变量，做用域为函数func体内，即仅在函数体内可见，生命期也是函数体内，在内存的栈中
• d是一个未初始化的静态局部变量，做用域为函数func体内，即仅在函数体内可见，生命期是整个程序运行期间，在内存的bbs段
• e是一个未初始化的局部变量，做用域为函数main体内，即仅在函数体内可见，生命期是main函数内，在内存的栈中
• pi是一个局部指针，指向堆中的一块内存块，该块的大小为sizeof(int)，pi自己存储在内存的栈中，生命期是main函数内
• 新申请的内存块在堆中，生命期是malloc/free之间

用图表示以下：

 

 

图3 例子的内存布局

 

五、总结

本文介绍了C/C++中由源程序到可执行文件的步骤，和可执行程序的内存布局，数据存储类别，最后还经过一个例子来讲明。可执行程序中的变量在内存中的布局能够总结为以下：

• 变量（函数外）：若是未初始化，则存放在BSS段；不然存放在data段
• 变量（函数内）：若是没有指定static修饰符，则存放在栈中；不然同上
• 常量：存放在文本段.text
• 函数参数：存放在栈或寄存器中

内存能够分为如下几段：

• 文本段：包含实际要执行的代码（机器指令）和常量。它一般是共享的，多个实例之间共享文本段。文本段是不可修改的。
• 初始化数据段：包含程序已经初始化的全局变量，.data。
• 未初始化数据段：包含程序未初始化的全局变量，.bbs。该段中的变量在执行以前初始化为0或NULL。
• 栈：由系统管理，由高地址向低地址扩展。
• 堆：动态内存，由用户管理。经过malloc/alloc/realloc、new/new[]申请空间，经过free、delete/delete[]释放所申请的空间。由低地址想高地址扩展。