Linux下c程序地址空間佈局

我們在學習C程序開發時經常會遇到一些概念：代碼段、數據段、BSS段（Block Started by Symbol）、堆（heap）和棧（stack）。先看一張教材上的示意圖（來源，《UNIX環境高級編程》一書），顯示了進程地址空間中典型的存儲區域分配情況。

從圖中可以看出：

從低地址到高地址分別爲：代碼段、（初始化）數據段、（未初始化）數據段（BSS）、堆、棧、命令行參數和環境變量
堆向高內存地址生長
棧向低內存地址生長

還經常看到下面這個圖（來源，不詳）：

先看一段程序。

[cpp]view
plaincopy

#include <stdio.h>  

#include <stdlib.h>  

int global_init_a=1;  

int global_uninit_a;  

static int static_global_init_a=1;  

static int static_global_uninit_a;  

const int const_global_a=1;  

int global_init_b=1;  

int global_uninit_b;  

static int static_global_init_b=1;  

static int static_global_uninit_b;  

const int const_global_b=1;  

/*上面全部爲全局變量，main函數中的爲局部變量*/  

int main()  

{  

    int local_init_a=1;  

    int local_uninit_a;  

    static int static_local_init_a=1;  

    static int static_local_uninit_a;  

    const int const_local_a=1;  

    int local_init_b=1;  

    int local_uninit_b;  

    static int static_local_init_b=1;  

    static int static_local_uninit_b;  

    const int const_local_b=1;  

    int * malloc_p_a;  

    malloc_p_a=malloc(sizeof(int));  

    printf("\n         &global_init_a=%p \t            

         global_init_a=%d\n",&global_init_a,global_init_a);   

    printf("       &global_uninit_a=%p \t          

        global_uninit_a=%d\n",&global_uninit_a,global_uninit_a);      

    printf("  &static_global_init_a=%p \t     

        static_global_init_a=%d\n",&static_global_init_a,static_global_init_a);  

    printf("&static_global_uninit_a=%p \t   

        static_global_uninit_a=%d\n",&static_global_uninit_a,static_global_uninit_a);  

    printf("        &const_global_a=%p \t           

        const_global_a=%d\n",&const_global_a,const_global_a);     

    printf("\n         &global_init_b=%p \t            

        global_init_b=%d\n",&global_init_b,global_init_b);    

    printf("       &global_uninit_b=%p \t          

        global_uninit_b=%d\n",&global_uninit_b,global_uninit_b);      

    printf("  &static_global_init_b=%p \t     

        static_global_init_b=%d\n",&static_global_init_b,static_global_init_b);  

    printf("&static_global_uninit_b=%p \t   

        static_global_uninit_b=%d\n",&static_global_uninit_b,static_global_uninit_b);  

    printf("        &const_global_b=%p \t           

        const_global_b=%d\n",&const_global_b,const_global_b);  

    printf("\n          &local_init_a=%p \t            

        local_init_a=%d\n",&local_init_a,local_init_a);   

    printf("        &local_uninit_a=%p \t          

        local_uninit_a=%d\n",&local_uninit_a,local_uninit_a);  

    printf("   &static_local_init_a=%p \t     

        static_local_init_a=%d\n",&static_local_init_a,static_local_init_a);  

    printf(" &static_local_uninit_a=%p \t   

        static_local_uninit_a=%d\n",&static_local_uninit_a,static_local_uninit_a);    

    printf("         &const_local_a=%p \t           

        const_local_a=%d\n",&const_local_a,const_local_a);    

    printf("\n          &local_init_b=%p \t            

        local_init_b=%d\n",&local_init_b,local_init_b);   

    printf("        &local_uninit_b=%p \t          

        local_uninit_b=%d\n",&local_uninit_b,local_uninit_b);  

    printf("   &static_local_init_b=%p \t     

        static_local_init_b=%d\n",&static_local_init_b,static_local_init_b);  

    printf(" &static_local_uninit_b=%p \t   

        static_local_uninit_b=%d\n",&static_local_uninit_b,static_local_uninit_b);    

    printf("         &const_local_b=%p \t           

        const_local_b=%d\n",&const_local_b,const_local_b);  

    printf("             malloc_p_a=%p \t             

        *malloc_p_a=%d\n",malloc_p_a,*malloc_p_a);  

    return 0;  

}

下面是輸出結果。

先仔細分析一下上面的輸出結果，看看能得出什麼結論。貌似很難分析出來什麼結果。好了我們繼續往下看吧。

接下來，通過查看proc文件系統下的文件，看一下這個進程的真實內存分配情況。（我們需要在程序結束前加一個死循環，不讓進程結束，以便我們進一步分析）。

在return 0前，增加 while(1); 語句

重新編譯後，運行程序，程序將進入死循環。

使用ps命令查看一下進程的pid

#ps -aux | grep a.out

查看/proc/2699/maps文件，這個文件顯示了進程在內存空間中各個區域的分配情況。

#cat /proc/2699/maps

上面紅顏色標出的幾個區間是我們感興趣的區間：

08048000-08049000 r-xp 貌似是代碼段
08049000-0804a000 r--p 暫時不清楚，看不出來
0804a000-0804b000 rw-p 貌似爲數據段
08a7e000-08a9f000 rw-p 堆
bff73000-bff88000 rw-p 棧

我們把這些數據與最後一次的程序運行結果進行比較，看看有什麼結論。

                &global_init_a=0x804a018       全局初始化：數據段            global_init_a=1
            &global_uninit_a=0x804a04c      全局未初始化：數據段       global_uninit_a=0
     &static_global_init_a=0x804a01c      全局靜態初始化：數據段    static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038      全局靜態未初始化：數據段    static_global_uninit_a=0
             &const_global_a=0x80487c0    全局只讀變量：代碼段        const_global_a=1

               &global_init_b=0x804a020       全局初始化：數據段      global_init_b=1
            &global_uninit_b=0x804a048       全局未初始化：數據段      global_uninit_b=0
    &static_global_init_b=0x804a024      全局靜態初始化：數據段    static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c        全局靜態未初始化：數據段   static_global_uninit_b=0
            &const_global_b=0x80487c4        全局只讀變量：代碼段             const_global_b=1

                 &local_init_a=0xbff8600c          局部初始化：棧                     local_init_a=1
             &local_uninit_a=0xbff86008         局部未初始化：棧                 local_uninit_a=134514459
     &static_local_init_a=0x804a028         局部靜態初始化：數據段      static_local_init_a=1
&static_local_uninit_a=0x804a040        局部靜態未初始化：數據段    static_local_uninit_a=0
           &const_local_a=0xbff86004        局部只讀變量：棧     const_local_a=1

                  &local_init_b=0xbff86000        局部初始化：棧         local_init_b=1
                &local_uninit_b=0xbff85ffc         局部未初始化：棧       local_uninit_b=-1074241512
     &static_local_init_b=0x804a02c        局部靜態初始化：數據段      static_local_init_b=1
&static_local_uninit_b=0x804a044        局部靜態未初始化：數據段      static_local_uninit_b=0
                &const_local_b=0xbff85ff8        局部只讀變量：棧       const_local_b=1

p_chars=0x80487c8 字符串常量：代碼段 p_chars=abcdef
malloc_p_a=0x8a7e008 malloc動態分配：堆 *malloc_p_a=0

通過以上分析我們暫時可以得到的結論如下，在進程的地址空間中：

數據段中存放：全局變量（初始化以及未初始化的）、靜態變量（全局的和局部的、初始化的以及未初始化的）
代碼段中存放：全局只讀變量（const）、字符串常量
堆中存放：動態分配的區域
棧中存放：局部變量（初始化以及未初始化的，但不包含靜態變量）、局部只讀變量（const）

這裏我們沒有發現BSS段，但是我們將未初始化的數據按照地址進行排序看一下，可以發現一個規律。

                &global_init_a=0x804a018       全局初始化：數據段            global_init_a=1
    &static_global_init_a=0x804a01c      全局靜態初始化：數據段    static_global_init_a=1
                &global_init_b=0x804a020       全局初始化：數據段      global_init_b=1
    &static_global_init_b=0x804a024      全局靜態初始化：數據段    static_global_init_b=1
     &static_local_init_a=0x804a028         局部靜態初始化：數據段      static_local_init_a=1
     &static_local_init_b=0x804a02c        局部靜態初始化：數據段      static_local_init_b=1

&static_global_uninit_a=0x804a038      全局靜態未初始化：數據段    static_global_uninit_a=0
&static_global_uninit_b=0x804a03c        全局靜態未初始化：數據段   static_global_uninit_b=0
  &static_local_uninit_a=0x804a040        局部靜態未初始化：數據段    static_local_uninit_a=0
  &static_local_uninit_b=0x804a044        局部靜態未初始化：數據段      static_local_uninit_b=0
           &global_uninit_b=0x804a048       全局未初始化：數據段      global_uninit_b=0
            &global_uninit_a=0x804a04c      全局未初始化：數據段       global_uninit_a=0

這裏可以發現，初始化的和未初始化的數據好像是分開存放的，因此我們可以猜測BSS段是存在的，只不過數據段是分爲初始化和未初始化（即BSS段）的兩部分，他們在加載到進程地址空間時是合併爲數據段了，在進程地址空間中沒有單獨分爲一個區域。

還有一個問題，靜態數據與非靜態數據是否是分開存放的呢？請讀者自行分析一下。

接下來我們從程序的角度看一下，這些存儲區域是如何分配的。首先我們先介紹一下ELF文件格式。

ELF（Executable and Linkable Format ）文件格式是一個開放標準，各種UNIX系統的可執行文件都採用ELF格式，它有三種不同的類型：

–可重定位的目標文件（Relocatable，或者Object File）

–可執行文件（Executable）

–共享庫（Shared Object，或者Shared Library）

下圖爲ELF文件的結構示意圖（來源，不詳）：

一個程序編譯生成目標代碼文件（ELF文件）的過程如下，此圖引自《程序員的自我修養》一書的一個圖：

可以通過readelf命令查看EFL文件的相關信息，例如 readelf -a a.out ，我們只關心各個段的分配情況，因此我們使用以下命令：

# readelf -S a.out

將這裏的內存佈局與之前看到的程序的運行結果進行分析：

                &global_init_a=0x804a018       全局初始化：數據段            global_init_a=1
            &global_uninit_a=0x804a04c      全局未初始化：BSS段       global_uninit_a=0
     &static_global_init_a=0x804a01c      全局靜態初始化：數據段    static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038      全局靜態未初始化：BSS段    static_global_uninit_a=0
             &const_global_a=0x80487c0    全局只讀變量：只讀數據段        const_global_a=1

               &global_init_b=0x804a020       全局初始化：數據段      global_init_b=1
            &global_uninit_b=0x804a048       全局未初始化：BSS段      global_uninit_b=0
    &static_global_init_b=0x804a024      全局靜態初始化：數據段    static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c        全局靜態未初始化：BSS段   static_global_uninit_b=0
            &const_global_b=0x80487c4        全局只讀變量：只讀數據段             const_global_b=1

     &static_local_init_a=0x804a028         局部靜態初始化：數據段      static_local_init_a=1
&static_local_uninit_a=0x804a040        局部靜態未初始化：BSS段    static_local_uninit_a=0

      &static_local_init_b=0x804a02c        局部靜態初始化：數據段      static_local_init_b=1
&static_local_uninit_b=0x804a044        局部靜態未初始化：BSS段      static_local_uninit_b=0

                           p_chars=0x80487c8        字符串常量：只讀數據段          p_chars=abcdef
ELF 文件一般包含以下幾個段 :

.text section：主要是編譯後的源碼指令，是隻讀字段。
.data section ：初始化後的非const的全局變量、局部static變量。
.bss：未初始化後的非const全局變量、局部static變量。
.rodata字段是存放只讀數據

分析到這以後，我們在和之前分析的結果對比一下，會發現確實存在BSS段，地址爲0804a030 ，大小爲0x20，之前我們的程序中未初始化的的確存放在這個地址區間中了，只不過執行exec系統調用時，將這部分的數據初始化爲0後，放到了進程地址空間的數據段中了，在進程地址空間中就沒有必要存在BSS段了，因此都稱做數據段。同理，.rodata字段也是與text段放在一起了。

在ELF文件中，找不到局部非靜態變量和動態分配的內容。

以上內容轉載自：http://blog.csdn.net/embedded_hunter/article/details/6897027

Linux下c程序地址空間佈局

DAPPER 事務 TRANSACTION

Linux下c程序地址空間佈局

線程初識+六個函數

筆試分析之騰訊2013暑期實習

effecitve c++之const

堆排序的實現

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結