C++对象模型（2）-- 进程内存空间布局

在前面Base类的对象模型中，有base对象实例，虚函数表，静态变量和函数等，这些信息在内存中都有各自的保存位置。了解进程的内存空间布局，比如内存空间分成几大块，各种不同的数据分别保存在内存空间的哪个位置，对深入理解对象模型是非常有帮助的。

1、进程内存空间布局
当把一个可执行文件加载到内存后，就变成了一个进程。
通常进程的内存地址空间可分为以下几个部分：栈、堆、BSS段、数据段、代码段。

1.1 各内存段说明
（1）栈（stack）：栈用于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。
（2）堆（heap）：堆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）。若程序员不释放，则会发生内存泄漏。
（3）bss段（bss segment）：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段属于静态内存分配。
（4）data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。data段属于静态内存分配。
（5）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。

1.2 代码段和数据段的区别
（1）代码段和data段都在可执行文件中，由系统从可执行文件中加载，其内容由程序初始化；而bss段不在可执行文件中，其内容由系统初始化。
（2）bss段并不给该段的数据分配空间，只是记录数据所需空间的大小。而数据段会给数据分配空间，数据保存在目标文件中。

2、内存空间布局的验证

2.1 示例程序的进程空间布局

当分别声明下面2行语句时，其进程空间内存布局是不同的。

Base* pb = nullptr;  
Base* pb = new Base();  

代码验证：

int main() {
    Base* pb = NULL;
    printf("print()的地址:%p\n", &(Base::print));
    printf("print_s()的地址:%p\n", &(Base::print_s));
    printf("Base::base_s的地址:%p\n", &(Base::base_s));

    pb->print();
    pb->print_s();
    std::cout << pb->base_s << std::endl;
}

估计有读者会感到奇怪，这个pb是NULL，应该报空指针错误啊。

但这个代码是能够正确执行的。而且在编译完成后，多次运行输出的print()、print_s()、base_s地址都是相同的。

为什么呢？

因为一个可执行文件，它的全局变量、全局函数、类静态成员变量等的地址值在编译完成时就已经确定好的，不会发生改变。

成员函数print()、静态函数print_s()和静态变量base_s是跟着类走的，成员函数、静态函数存在代码段，静态变量存在数据段。

下面我们再在main()里添加2行代码：

pb->print_v();
std::cout << pb->base_i << std::endl;

发现这2行代码报错了，我这里用vs2019是提示：pb 是 nullptr。

为什么呢？

非静态成员变量、虚函数指针才会放到对象中。pb是个NULL指针，没指向任何对象，所以在调用其非静态变量base_i、虚函数print_v()时会报nullptr错误。

2.2 变量的存储位置

int bss_1; // 未初始化的全局变量 - bss段
int bss_2 = 0; // 初始化为0的全局变量 - bss段
int data_1 = 1; // 初始化非0的全局变量 - data段

int main() {
    static int bss_3; // 未初始化的静态局部变量 - bss段
    static int bss_4 = 0; // 初始化为0静态局部变量 - bss段
    static int data_2 = 1; // 初始化非0静态局部变量，data段

    printf(" ------ bss段地址 ------\n");
    printf(" bss_1 = %p\n", &bss_1);
    printf(" bss_2 = %p\n", &bss_2);
    printf(" bss_3 = %p\n", &bss_3);
    printf(" bss_4 = %p\n\n", &bss_4);

    printf(" ------ data段地址 ------\n");
    printf(" data_1 = %p\n", &data_1);
    printf(" data_2 = %p\n", &data_2);

    return 0;
}

从下面的运行结果可以看到，bss段和data段里数据的存放顺序跟声明顺序是一致的，且data段的地址在bss段的下面。