爲什麼需要知道C/C++的內存佈局和在哪可以可以找到想要的數據？知道內存佈局對調試程序非常有幫助，可以知道程序執行時，到底做了什麼，有助於寫出乾淨的代碼。本文的主要內容如下：
- 源文件轉換爲可執行文件
- 可執行程序組成及內存佈局
- 數據存儲類別
- 一個實例
- 總結
源文件轉換爲可執行文件
源文件經過以下幾步生成可執行文件：
- 1、預處理（preprocessor）：對#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等進行處理
- 2、編譯（compiler）：將源碼編譯爲彙編代碼
- 3、彙編（assembler）：將彙編代碼彙編爲目標代碼
- 4、鏈接（linker）：將目標代碼鏈接爲可執行文件
編譯器和彙編器創建的目標文件包含：二進制代碼（指令）、源碼中的數據；鏈接器將多個目標文件鏈接成一個；裝載器吧目標文件加載到內存。
圖1 源文件到可執行文件的步驟
可執行程序組成及內存佈局
通過上面的小節，我們知道將源程序轉換爲可執行程序的步驟，典型的可執行文件分爲兩部分：
- 代碼段（Code），由機器指令組成，該部分是不可改的，編譯之後就不再改變，放置在文本段（.text）。
- 數據段（Data），它由以下幾部分組：
- 常量（constant），通常放置在只讀read-only的文本段（.text）
- 靜態數據（static data），初始化的放置在數據段（.data）；未初始化的放置在（.bss，Block Started by Symbol，BSS段的變量只有名稱和大小卻沒有值）
- 動態數據（dynamic data），這些數據存儲在堆（heap）或棧（stack）
源程序編譯後鏈接到一個以0地址爲始地址的線性或多維虛擬地址空間。而且每個進程都擁有這樣一個空間，每個指令和數據都在這個虛擬地址空間擁有確定的地址，把這個地址稱爲虛擬地址（Virtual Address）。將進程中的目標代碼、數據等的虛擬地址組成的虛擬空間稱爲虛擬存儲器（Virtual Memory）。典型的虛擬存儲器中有類似的佈局：
- Text Segment (.text)
- Initialized Data Segment (.data)
- Uninitialized Data Segment (.bss)
- The Stack
- The Heap
如下圖所示：
圖2 進程內存佈局
當進程被創建時，內核爲其提供一塊物理內存，將虛擬內存映射到物理內存，這些都是由操作系統來做的。
數據存儲類別
討論C/C++中的內存佈局，不得不提的是數據的存儲類別！數據在內存中的位置取決於它的存儲類別。一個對象是內存的一個位置，解析這個對象依賴於兩個屬性：存儲類別、數據類型。
- 存儲類別決定對象在內存中的生命週期。
- 數據類型決定對象值的意義，在內存中佔多大空間。
C/C++中由（auto、 extern、 register、 static）存儲類別和對象聲明的上下文決定它的存儲類別。
1、自動對象（automatic objects）
auto和register將聲明的對象指定爲自動存儲類別。他們的作用域是局部的，諸如一個函數內，一個代碼塊{***}內等。操作了作用域，對象會被銷燬。
- 在一個代碼塊中聲明一個對象，如果沒有執行auto，那麼默認是自動存儲類別。
- 聲明爲register的對象是自動存儲類別，存儲在計算機的快速寄存器中。不可以對register對象做取值操作“&”。
2、靜態對象（static objects）
靜態對象可以局部的，也可以是全局的。靜態對象一直保持它的值，例如進入一個函數，函數中的靜態對象仍保持上次調用時的值。包含靜態對象的函數不是線程安全的、不可重入的，正是因爲它具有“記憶”功能。
- 局部對象聲明爲靜態之後，將改變它在內存中保存的位置，由動態數據--->靜態數據，即從堆或棧變爲數據段或bbs段。
- 全局對象聲明爲靜態之後，而不會改變它在內存中保存的位置，仍然是在數據段或bbs段。但是static將改變它的作用域，即該對象僅在本源文件有效。此相反的關鍵字是extern，使用extern修飾或者什麼都不帶的全局對象的作用域是整個程序。
一個實例
下面我們分析一段代碼：
程序中聲明的變量a、b、c、d、e、pi的存儲類別和生命期如下所述：
- a是一個未初始化的全局變量，作用域爲整個程序，生命期是整個程序運行期間，在內存的bbs段
- b是一個未初始化的靜態全局變量，作用域爲本源文件，生命期是整個程序運行期間，在內存的bbs段
- c是一個未初始化的局部變量，作用域爲函數func體內，即僅在函數體內可見，生命期也是函數體內，在內存的棧中
- d是一個未初始化的靜態局部變量，作用域爲函數func體內，即僅在函數體內可見，生命期是整個程序運行期間，在內存的bbs段
- e是一個未初始化的局部變量，作用域爲函數main體內，即僅在函數體內可見，生命期是main函數內，在內存的棧中
- pi是一個局部指針，指向堆中的一塊內存塊，該塊的大小爲sizeof(int)，pi本身存儲在內存的棧中，生命期是main函數內
- 新申請的內存塊在堆中，生命期是malloc/free之間
用圖表示如下：
圖3 例子的內存佈局
總結
本文介紹了C/C++中由源程序到可執行文件的步驟，和可執行程序的內存佈局，數據存儲類別，最後還通過一個例子來說明。可執行程序中的變量在內存中的佈局可以總結爲如下：
- 變量（函數外）：如果未初始化，則存放在BSS段；否則存放在data段
- 變量（函數內）：如果沒有指定static修飾符，則存放在棧中；否則同上
- 常量：存放在文本段.text
- 函數參數：存放在棧或寄存器中
內存可以分爲以下幾段：
- 文本段：包含實際要執行的代碼（機器指令）和常量。它通常是共享的，多個實例之間共享文本段。文本段是不可修改的。
- 初始化數據段：包含程序已經初始化的全局變量，.data。
- 未初始化數據段：包含程序未初始化的全局變量，.bbs。該段中的變量在執行之前初始化爲0或NULL。
- 棧：由系統管理，由高地址向低地址擴展。
- 堆：動態內存，由用戶管理。通過malloc/alloc/realloc、new/new[]申請空間，通過free、delete/delete[]釋放所申請的空間。由低地址想高地址擴展。