内存空间布局：代码段、数据段，栈，堆 ,寄存器

内存空间布局详解：代码段、数据段、栈、堆与寄存器

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#内存 #数据 #栈 #linux

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本文详细介绍了内存的几个主要区域：代码段（存放执行代码）、数据段（存放已初始化全局变量）、BSS段（存放未初始化全局变量）、堆（动态内存分配）和栈（存放局部变量和调用信息）。还讨论了CPU寄存器的作用，以及进程如何通过段来访问内存。同时提到了堆栈的增长方向以及内存分配函数malloc()和free()，并提及了环境/参数节在存储系统环境变量和命令行参数中的角色。

首先看一段代码：

 #include <stdio.h>
  
  int glob_val;               //global uninitialized
  int glob_val2 = 2;          //global initialized
  //int glob_val5 = 4;
  //int glob_val6 = 4;
  static int glob_val3;       //static global uninitialized
  static int glob_val4 = 1;   //static global initialized
  
  int main(int argc , char *argv[]){
      int auto_val ;          //local uninitialized
      int auto_val2 = 3;      //local initialized
      static int stat_val ;   //static local uninitialized
      static int stat_val2 = 4;   //static local initialized
      char *p = "Hello World!";   //point to constant
  //  register reg_val = 5 ;      //register
  
      printf( "global uninitialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &glob_val );
      printf( "global initialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &glob_val2 );
      printf( "global initialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &glob_val3 );
      printf( "static global initialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &glob_val4 );
  
      printf( "constant value's addr:  %#08lx \n "
              "pointer's addr: %#08lx\n" , p , &p );
  //  printf( "register uninitialized var's addr:"
  //          " %#x\n " , &reg_val );
  
      printf( "local uninitialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &auto_val );
      printf( "local initialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &auto_val2 );
      printf( "static local uninitialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &stat_val );
      printf( "static local initialized var's addr:"
              " %#08lx\n " , &stat_val2 );
     return 0;
  }

输出的结果为：

 global uninitialized var's addr: 0x601058
 global initialized var's addr: 0x601040
 global initialized var's addr: 0x601050
 static global initialized var's addr: 0x601044
 constant value's addr:  0x400698 
 pointer's addr: 0x7fff54c54688
 local uninitialized var's addr: 0x7fff54c54680
 local initialized var's addr: 0x7fff54c54684
 static local uninitialized var's addr: 0x601054
 static local initialized var's addr: 0x601048

然后我们再来看 APUE P164的配图

从上面可以看出，内存大致分为几个段：

代码段（正文段）：代码段（code segment/text segment）通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

数据段：数据段（data segment）通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

BSS段：BSS段（bsssegment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。

堆（heap）：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）

栈(stack)：栈又称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。

从上面程序运行的结果，可以看出：

1.函数代码存放在代码段。声明的类如果从未使用，则在编译时，会优化掉，其成员函数不占代码段空间。
全局变量或静态变量，放在数据段，注：按理来说，没有声明的全局变量或静态变量应该保存在BSS中，但结果看出感觉它们在一块

局部变量放在栈中，
用new产生的对象放在堆中，

常量保存在常量区，常量区地址比数据段地址更低

CPU寄存器：CPU寄存器，其实就是来控制代码段和数据段的指令及数据读取的地方，当然，CPU也有自己存放数据的地方，那就是通用寄存器里的数据寄存器，通常是EDX寄存器，C语言里有个register，就是把数据放在这个寄存器里，这样读取数据就相当的快了，因为不用去内存找，就省去了寻址和传送数据的时间开销。他还有一些寄存器是用来指示当前代码段的位置、数据段的位置、堆栈段的位置等等(注意这里存放的只是相应的代码或数据在内存中的地址，并不是实际的值，然后根据这个地址，通过地址总线和数据总线，去内存中获取相应的值)，不然在执行代码的时候，指令和数据从哪取呢？呵呵。。。他里面还有标志寄存器，用来标识一些状态位，比如标识算术溢出呀等等。。。。。

寄存器是特殊形式的内存，嵌入到处理器内部。

每个进程需要访问内存中属于自身的区域，因此，可将内存划分成小的段，按需分发给进程。
寄存器用来存储和跟踪进程当前维护的段。偏移寄存器（Offset Registers）用来跟踪关键的数据放在段中的位置。在进程被载入内存中时，基本上被分裂成许多小的节（section）。我们比较关注的是6个主要的节：

（1） .text 节
.text 节基本上相当于二进制可执行文件的.text部分，它包含了完成程序任务的机器指令。
该节标记为只读，如果发生写操作，会造成segmentation fault。在进程最初被加载到内存中开始，该节的大小就被固定。
（2）.data 节
.data节用来存储初始化过的变量，如：int a =0 ; 该节的大小在运行时固定的。
（3）.bss 节
栈下节（below stack section ,即.bss）用来存储为初始化的变量，如：int a; 该节的大小在运行时固定的。
（4）堆节
堆节（heap section）用来存储动态分配的变量，位置从内存的低地址向高地址增长。内存的分配和释放通过malloc() 和 free() 函数控制。
（5）栈节
栈节（stack section）用来跟踪函数调用（可能是递归的），在大多数系统上从内存的高地址向低地址增长。
同时，栈这种增长方式，导致了缓冲区溢出的可能性。
（6）环境/参数节

环境/参数节（environment/arguments section）用来存储系统环境变量的一份复制文件，
进程在运行时可能需要。例如，运行中的进程，可以通过环境变量来访问路径、shell 名称、主机名等信息。
该节是可写的，因此在格式串（format string）和缓冲区溢出（buffer overflow）攻击中都可以使用该节。
另外，命令行参数也保持在该区域中.

另外还有一篇文章：http://www.cppblog.com/prayer/archive/2009/08/17/93594.html我去验证BSS和数据段，没有验证成功。