【转】一条进程的栈区、堆区、数据区和代码区在内存中的映射

本文详细解析了计算机内存的各个分区,包括栈区、堆区、数据区的功能与特性,并阐述了函数调用过程中栈帧的变化及作用。

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出处:  少即是多,慢即是快!

        栈区:主要用来存放局部变量, 传递参数, 存放函数的返回地址。.esp 始终指向栈顶, 栈中的数据越多, esp的值越小。

          堆区:用于存放动态分配的对象, 当你使用 mallocnew 等进行分配时,所得到的空间就在堆中。动态分配得到的内存区域附带有分配信息, 所以你能够 freedelete它们。

          数据区:全局,静态和常量是分配在数据区中的,数据区包括bss(未初始化数据区)和初始化数据区。

注意:

1)     堆向高内存地址生长;

2)     栈向低内存地址生长;

3)     堆和栈相向而生,堆和栈之间有个临界点,称为stkbrk

 

1、一条进程在内存中的映射

    假设现在有一个程序它的函数调用顺序如下

main(...) ->; func_1(...) ->; func_2(...) ->; func_3(...)主函数main调用函数func_1; 函数func_1调用函数func_2; 函数func_2调用函数func_3

当一个程序被操作系统调入内存运行, 其对应的进程在内存中的映射如下图所示

 

一条进程的栈区、堆区、数据区和代码区在内存中的映射 - U-BOOT - 少就是多,慢就是快!

 

 

注意:

          随着函数调用层数的增加,函数栈帧是一块块地向内存低地址方向延伸的;

          随着进程中函数调用层数的减少(即各函数调用的返回),栈帧会一块块地被遗弃而向内存的高址方向回缩;

          各函数的栈帧大小随着函数的性质的不同而不等, 由函数的局部变量的数目决定。

 

          未初始化数据区(BSS):用于存放程序的静态变量,这部分内存都是被初始化为零的;而初始化数据区用于存放可执行文件里的初始化数据。这两个区统称为数据区。

 

          Text(代码区):是个只读区,存放了程序的代码。任何尝试对该区的写操作会导致段违法出错。代码区是被多个运行该可执行文件的进程所共享的。   

 

          进程对内存的动态申请是发生在Heap()里的。随着系统动态分配给进程的内存数量的增加,Heap()有可能向高址或低址延伸, 这依赖于不同CPU的实现,但一般来说是向内存的高地址方向增长的。

 

          在未初始化数据区(BSS)或者Stack(栈区)的增长耗尽了系统分配给进程的自由内存的情况下,进程将会被阻塞, 重新被操作系统用更大的内存模块来调度运行。

 

          函数的栈帧:包含了函数的参数(至于被调用函数的参数是放在调用函数的栈帧还是被调用函数栈帧, 则依赖于不同系统的实现)。函数的栈帧中的局部变量以及恢复该函数的主调函数的栈帧(即前一个栈帧)所需要的数据, 包含了主调函数的下一条执行指令的地址。

 

 

2、  函数的栈帧

    函数调用时所建立的栈帧包含下面的信息:

1)     函数的返回地址。返回地址是存放在主调函数的栈帧还是被调用函数的栈帧里,取决于不同系统的实现;

2)     主调函数的栈帧信息, 即栈顶和栈底;

3)     为函数的局部变量分配的栈空间;

4)     为被调用函数的参数分配的空间取决于不同系统的实现。

 

注意:

          BSS区(未初始化数据段):并不给该段的数据分配空间,仅仅是记录了数据所需空间的大小。

          DATA (初始化的数据段):为数据分配空间,数据保存在目标文件中。
<think>我们正在讨论C++程序内存布局中的代码区(也称为文本段或.text段)。根据引用[1][2][3],代码区内存之一,用于存放程序的执行代码。下面我将详细解释其功能与特点。 ###1. **功能**-**存储可执行指令**:代码区存放编译后的机器指令(二进制代码),这些指令直接由CPU执行。例如,函数体、控制语句(如循环条件分支)等都被换为机器码存储在此域[^1][^2]。-**只读属性**:该域被操作系统标记为只读(通过内存保护机制),防止程序意外修改自身指令,确保代码安全性稳定性[^2][^3]。- **共享性**:多个相同进程(如同时运行同一程序的多个实例)可共享同一份代码区内容,减少内存占用(如系统库代码)[^1]。###2.**特点**- **静态分配**:代码区在程序加载时由操作系统分配,大小在编译后固定(除非涉及动态加载库)[^1][^3]。- **高效访问**:CPU通过程序计数器(PC寄存器)直接定位下一条指令地址,实现快速指令获取[^3]。- **与数据隔离**:代码区数据区(如全局)严格分离,符合哈佛架构思想(指令与数据分开存储),避免指令被篡改[^2]。-**位置固定**:通常位于内存低地址域(如`0x400000`),具体布局由操作系统链接器决定[^3]。###3.**实现机制**-**编译阶段**:编译器将源代码(如 `.cpp`文件)换为目标文件(`.o`文件),其中代码部分放入`.text`段。-**链接阶段**:链接器合并所有目标文件的 `.text`段,生成最终可执行文件的代码区。- **加载阶段**:程序运行时,操作系统将可执行文件的代码区映射进程虚拟内存的固定地址,并设置只读权限[^1][^3]。 ###4. **示例说明**```cpp#include<iostream>void printMessage(){std::cout<< "Hello,Code Section!" <<std::endl;//此函数的机器码存储在代码区}intmain(){printMessage(); //调用函数时,CPU从代码区获取指令return0;}```-`printMessage``main`函数的编译后指令均存储在代码区。-字符串常量 `"Hello, CodeSection!"`存储在**常量**(引用[1]中的全局),而非代码区。 ###5. **与其他域对比**|域|存储内容|权限|管理方||-------------|--------------------------|--------|----------------|| **代码区**|机器指令|只读|操作系统||全局|全局变量、静态变量、常量|可读写|编译器/操作系统|||局部变量、函数参数|可读写|编译器|||动态分配的内存|可读写 |程序员|###总结代码区是C++程序内存布局的核心部分,负责安全高效地存储可执行指令。其只读性、共享性静态分配特性,保障了程序的稳定运行系统资源优化[^1][^2][^3]。§§相关问题§§1.代码区与常量存储有何别?2.如何防止代码区被恶意修改?3.动态链接库的代码如何加载到内存?4.代码区的大小在程序运行期间会变化吗?</think>### C++程序内存布局:代码区功能与特点详解 在C++程序的内存布局中,**代码区(Text Segment)** 是核心组成部分,其功能与特点如下: --- #### 1. **核心功能** - **存储可执行指令** 存放编译后的机器指令(二进制代码),包括: - 所有函数体的实现代码 - 程序控制逻辑(如循环、条件分支) - 系统库函数的调用指令 - 类成员函数的实现[^1][^2] - **只读执行保护** 操作系统将该域标记为**只读+可执行**权限: ```plaintext 权限示例:r-x (读/执行,禁止写入) ``` 防止程序意外修改自身指令,确保代码安全性稳定性[^2][^3]。 --- #### 2. **关键特点** | 特性 | 说明 | |---------------------|----------------------------------------------------------------------| | **静态分配** | 在程序加载时由操作系统一次性分配,大小在编译后固定[^1] | | **地址空间位置** | 通常位于虚拟内存低地址(如 `0x400000`),与/隔离[^3] | | **共享性** | 多个进程实例可共享同一份代码(如动态库),减少内存占用[^2] | | **高效访问** | CPU通过程序计数器(PC)直接访问,无运行时分配开销[^3] | | **指令与数据分离** | 严格遵循冯·诺依曼架构,与数据存储(全局//)物理隔离[^1][^2] | --- #### 3. **底层实现机制** 1. **编译阶段** 编译器将源代码换为目标文件(`.o`),其中代码部分标记为 `.text` 段。 2. **链接阶段** 链接器合并所有目标文件的 `.text` 段,生成最终可执行文件的代码区布局。 3. **加载运行时** 操作系统加载器将可执行文件的代码段映射进程虚拟内存空间,并设置只读权限[^3]。 --- #### 4. **与其他域交互** ```cpp // 示例:函数调用时的内存交互 void exampleFunction() { // ← 函数指令存储在代码区 int localVar = 10; // ← 局部变量存储在 int* ptr = new int; // ← 动态内存分配在 static int counter; // ← 静态变量存储在全局 } ``` - **执行流程**:CPU从代码区获取指令 → 操作/数据 → 返回结果[^3] --- #### 5. **安全性与优化** - **防篡改机制** 尝试修改代码区(如通过指针写操作)会触发**段错误(Segmentation Fault)**[^2] - **性能优势** - 指令预取:CPU缓存可预测性高的代码流 - 分支预测:优化控制逻辑的执行效率 - 共享库:减少物理内存重复加载[^1] --- ### 总结 代码区作为程序执行的基石,提供了**安全、高效、共享**的指令存储环境。其只读属性静态分配特性确保了程序的稳定运行,而与其他内存域的严格隔离则符合现代操作系统的安全设计原则[^1][^2][^3]。
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