C++基础——C程序的存储空间布局

C程序的存储空间布局

                

正文段(.text)

这是由CPU执行的机器指令部分。通常，正文段是可共享的，所以即使是频繁执行的程序（如文本编辑器、C编译器和shell等）在存储器中也只需有一个副本，另外，正文段常常是只读的，以防止程序由于意外而修改其指令；程序的所有指令会存放在这个区域，这是已经编译后的机器码。

初始化数据段(.data)

通常将此段称为数据段，它包含了程序中需明确地赋初值的变量(已经初始化的非零全局变量)。例如，C程序中任何函数之外的声明：

int maxcount = 99;

使此变量以其初值存放在初始化数据段中。

未初始化数据段(.bss)

通常将此段称为bss段，这一名称来源于时期汇编程序的一个操作符，意思是“由符号开始的块“（block started by symbol）,在程序开始执行之前，(通常)内核将此段中的数据初始化为0或空指针。存放程序中未初始化的和零值全局变量。函数外的声明：

long sum[1000];

使此变量存放在非初始化数据段中。

text和data段都在可执行文件中，由系统从可执行文件中加载；而bss段不在可执行文件中，由系统初始化。

栈(stack）

自动变量以及每次函数调用时所需保存的信息都存放在此段中。每次函数调用时，其返回地址以及调用者的环境信息（如某些机器寄存器的值）都存放在栈中。然后，最近被调用的函数在栈上为其自动和临时变量分配存储空间。通过以这种方式使用栈，C递归函数可以工作。递归函数每次调用自身时，就用一个新的栈帧，因此一次函数调用实例中的变量集不会影响另一次函数调用实例中的变量；栈按内存地址由高到低方向生长，其最大大小由编译时确定。

堆(heap)

自由申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存/虚拟内存上限决定。通常在堆中进行动态存储分配。由于历史上形成的惯例，堆位于未初始化数据段和栈之间。

 

堆与栈的区别

1. 申请方式不同

栈：由操作系统自动分配释放，无需手动控制；

堆：堆的申请和释放工作由程序员控制，处理不当容易产生内存泄漏； 

2. 申请大小限制不同

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），在64bits的Linux默认10M；如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。由此可见，堆获得的空间受限于计算机系统中有效的虚拟内存，比较灵活，也比较大。

3. 生长方向不同

堆：堆的生长方向向上，内存地址由低到高；

栈：栈的生长方向向下，内存地址由高到低。 

4. 分配效率不同

栈：栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。

堆：堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然，堆的效率比栈要低得多。 

5. 存放内容不同

栈：栈存放的内容有函数返回地址、相关参数、局部变量和寄存器内容等。当主函数调用另外一个函数的时候，要对当前函数执行断点进行保存，需要使用栈来实现，首先入栈的是主函数下一条语句的地址，即扩展指针寄存器的内存（eip），然后是当前栈帧的底部地址，即扩展基址指针寄存器内容（ebp），再然后是被调函数的实参等，一般情况下是按照从右向左的顺序入栈，之后是调用函数的局部变量，注意静态变量是存放在数据段或者BSS段，是不入栈的。出栈的顺序正好相反，最终栈顶指向主函数下一条语句的地址，主程序又从该地址开始执行。

堆：一般情况堆顶使用一个字节的空间来存放堆的大小，而堆中具体存放内容是由程序员来填充的。

从以上可以看到：

1. 堆和栈相比，由于大量malloc()/free()或new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片，并且可能引发用户态和核心态的切换，效率较低。栈相比于堆，在程序中应用较为广泛，最常见的是函数的调用过程由栈来实现，函数返回地址、EBP、实参和局部变量都采用栈的方式存放。虽然栈有众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，主要还是用堆。

2. 无论是堆还是栈，在内存使用时都要防止非法越界，越界导致的非法内存访问可能会摧毁程序的堆、栈数据，轻则导致程序运行处于不确定状态，获取不到预期结果，重则导致程序异常崩溃，这些都是我们编程时与内存打交道时应该注意的问题。
 

 

以上参考：

• unix 环境高级编程 第二版
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/78478567