Linux下C程序进程地址空间布局
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為：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。
?
view plain?
下面是輸出結果。
???????????
先仔細分析一下上面的輸出結果，看看能得出什么結論。貌似很難分析出來什么結果。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
重新編譯后，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? 貌似為數據段
- 08a7e000-08a9f000? rw-p? 堆
- bff73000-bff88000???? rw-p?? 棧???
我們把這些數據與剛才的程序運行結果進行比較，看看有什么結論。
??????????????? &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）
這里我們沒有發現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
??? 這里可以發現，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，只不過數據段是分為初始化和未初始化（即BSS段）的兩部分，他們在加載到進程地址空間時是合并為數據段了，在進程地址空間中沒有單獨分為一個區域。
??? 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，這寫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采用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） 下圖為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 ??????????????????????將這里的內存布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：主要是編譯后的源碼指令，是只讀字段。
- .data section ：初始化后的非const的全局變量、局部static變量。
- .bss：未初始化后的非const全局變量、局部static變量。
- .rodata字段? 是存放只讀數據?
分析到這以后，我們在和之前分析的結果對比一下，會發現確實存在BSS段，地址為0804a030?，大小為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為0后，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。
?
以上有很多地方的分析，我在網上基本找不到很明確的結論，很多教材上也沒有描述，只是我通過程序分析得出的結論，如有不妥之處，請指出，歡迎交流。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux下C程序进程地址空间布局的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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