【图解】Linux下C程序进程地址空间布局

作者：沧海猎人   出处：http://blog.csdn.net/embedded_hunter  转载请注明出处   嵌入式技术交流QQ群：179012822

我们在学习C程序开发时经常会遇到一些概念：代码段、数据段、BSS段（Block Started by Symbol） 、堆（heap）和栈（stack）。先看一张教材上的示意图（来源，《UNIX环境高级编程》一书），显示了进程地址空间中典型的存储区域分配情况。

           

从图中可以看出：

• 从低地址到高地址分别为：代码段、（初始化）数据段、（未初始化）数据段（BSS）、堆、栈、命令行参数和环境变量
• 堆向高内存地址生长
• 栈向低内存地址生长

还经常看到下面这个图（来源，不详）：

                                                                   

 

先看一段程序。

 

#include
#include

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;
/*上面全部为全局变量，main函数中的为局部变量*/
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;
}

 

下面是输出结果。

           

先仔细分析一下上面的输出结果，看看能得出什么结论。貌似很难分析出来什么结果。好了我们继续往下看吧。

接下来，通过查看proc文件系统下的文件，看一下这个进程的真实内存分配情况。（我们需要在程序结束前加一个死循环，不让进程结束，以便我们进一步分析）。

      在return 0前，增加 while(1); 语句

重新编译后，运行程序，程序将进入死循环。

      

使用ps命令查看一下进程的pid

  #ps -aux | grep a.out

查看/proc/2699/maps文件，这个文件显示了进程在内存空间中各个区域的分配情况。

  #cat  /proc/2699/maps

上面红颜色标出的几个区间是我们感兴趣的区间：

• 08048000-08049000  r-xp  貌似是代码段
• 08049000-0804a000 r--p   暂时不清楚，看不出来
• 0804a000-0804b000 rw-p  貌似为数据段
• 08a7e000-08a9f000  rw-p  堆
• bff73000-bff88000     rw-p   栈   

我们把这些数据与最后一次的程序运行结果进行比较，看看有什么结论。

                &global_init_a=0x804a018       全局初始化：数据段              global_init_a=1
            &global_uninit_a=0x804a04c      全局未初始化：数据段          global_uninit_a=0
     &static_global_init_a=0x804a01c      全局静态初始化：数据段      static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038      全局静态未初始化：数据段     static_global_uninit_a=0
             &const_global_a=0x80487c0     全局只读变量： 代码段        const_global_a=1

                 &global_init_b=0x804a020       全局初始化：数据段      global_init_b=1
            &global_uninit_b=0x804a048        全局未初始化：数据段      global_uninit_b=0
     &static_global_init_b=0x804a024        全局静态初始化：数据段    static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c        全局静态未初始化：数据段   static_global_uninit_b=0
            &const_global_b=0x80487c4        全局只读变量： 代码段             const_global_b=1

                 &local_init_a=0xbff8600c          局部初始化：栈                     local_init_a=1
             &local_uninit_a=0xbff86008         局部未初始化：栈                 local_uninit_a=134514459
     &static_local_init_a=0x804a028         局部静态初始化：数据段      static_local_init_a=1
 &static_local_uninit_a=0x804a040        局部静态未初始化：数据段     static_local_uninit_a=0
             &const_local_a=0xbff86004        局部只读变量：栈     const_local_a=1

                  &local_init_b=0xbff86000        局部初始化：栈          local_init_b=1
                &local_uninit_b=0xbff85ffc         局部未初始化：栈        local_uninit_b=-1074241512
      &static_local_init_b=0x804a02c        局部静态初始化：数据段      static_local_init_b=1
 &static_local_uninit_b=0x804a044        局部静态未初始化：数据段      static_local_uninit_b=0
                &const_local_b=0xbff85ff8        局部只读变量：栈        const_local_b=1

                           p_chars=0x80487c8        字符串常量：代码段          p_chars=abcdef
                    malloc_p_a=0x8a7e008        malloc动态分配：堆        *malloc_p_a=0

通过以上分析我们暂时可以得到的结论如下，在进程的地址空间中：

• 数据段中存放：全局变量（初始化以及未初始化的）、静态变量（全局的和局部的、初始化的以及未初始化的）
• 代码段中存放：全局只读变量（const）、字符串常量
• 堆中存放：动态分配的区域
• 栈中存放：局部变量（初始化以及未初始化的，但不包含静态变量）、局部只读变量（const）

这里我们没有发现BSS段，但是我们将未初始化的数据按照地址进行排序看一下，可以发现一个规律。

                &global_init_a=0x804a018       全局初始化：数据段              global_init_a=1
    &static_global_init_a=0x804a01c      全局静态初始化：数据段      static_global_init_a=1
                &global_init_b=0x804a020       全局初始化：数据段      global_init_b=1
    &static_global_init_b=0x804a024        全局静态初始化：数据段    static_global_init_b=1
       &static_local_init_a=0x804a028         局部静态初始化：数据段      static_local_init_a=1
       &static_local_init_b=0x804a02c        局部静态初始化：数据段      static_local_init_b=1

&static_global_uninit_a=0x804a038      全局静态未初始化：数据段     static_global_uninit_a=0
&static_global_uninit_b=0x804a03c        全局静态未初始化：数据段   static_global_uninit_b=0
  &static_local_uninit_a=0x804a040        局部静态未初始化：数据段     static_local_uninit_a=0
  &static_local_uninit_b=0x804a044        局部静态未初始化：数据段      static_local_uninit_b=0
           &global_uninit_b=0x804a048        全局未初始化：数据段      global_uninit_b=0
            &global_uninit_a=0x804a04c      全局未初始化：数据段          global_uninit_a=0

    这里可以发现，初始化的和未初始化的数据好像是分开存放的，因此我们可以猜测BSS段是存在的，只不过数据段是分为初始化和未初始化（即BSS段）的两部分，他们在加载到进程地址空间时是合并为数据段了，在进程地址空间中没有单独分为一个区域。

    还有一个问题，静态数据与非静态数据是否是分开存放的呢？请读者自行分析一下。

 

 接下来我们从程序的角度看一下，这些存储区域是如何分配的。首先我们先介绍一下ELF文件格式。

ELF（Executable and Linkable Format ）文件格式是一个开放标准，各种UNIX系统的可执行文件都采用ELF格式，它有三种不同的类型：

–可重定位的目标文件（Relocatable，或者Object File）

–可执行文件（Executable）

–共享库（Shared Object，或者Shared Library）

 

下图为ELF文件的结构示意图（来源，不详）：

                                     

 

一个程序编译生成目标代码文件（ELF文件）的过程如下，此图引自《程序员的自我修养》一书的一个图：

                     

可以通过readelf命令查看EFL文件的相关信息，例如 readelf  -a  a.out  ，我们只关心各个段的分配情况，因此我们使用以下命令：

    # readelf -S a.out

                        

 将这里的内存布局与之前看到的程序的运行结果进行分析：

                &global_init_a=0x804a018       全局初始化：数据段              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      全局静态初始化：数据段      static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038      全局静态未初始化：BSS段     static_global_uninit_a=0
             &const_global_a=0x80487c0     全局只读变量： 只读数据段        const_global_a=1

                 &global_init_b=0x804a020       全局初始化：数据段      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        全局静态初始化：数据段    static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c        全局静态未初始化：BSS段   static_global_uninit_b=0
            &const_global_b=0x80487c4        全局只读变量： 只读数据段             const_global_b=1

     &static_local_init_a=0x804a028         局部静态初始化：数据段      static_local_init_a=1
 &static_local_uninit_a=0x804a040        局部静态未初始化：BSS段     static_local_uninit_a=0

      &static_local_init_b=0x804a02c        局部静态初始化：数据段      static_local_init_b=1
 &static_local_uninit_b=0x804a044        局部静态未初始化：BSS段      static_local_uninit_b=0

                           p_chars=0x80487c8        字符串常量：只读数据段          p_chars=abcdef
ELF 文件一般包含以下几个段 :

• .text section：主要是编译后的源码指令，是只读字段。
• .data section ：初始化后的非const的全局变量、局部static变量。
• .bss：未初始化后的非const全局变量、局部static变量。
• .rodata字段  是存放只读数据 

分析到这以后，我们在和之前分析的结果对比一下，会发现确实存在BSS段，地址为0804a030 ，大小为0x20，之前我们的程序中未初始化的的确存放在这个地址区间中了，只不过执行exec系统调用时，将这部分的数据初始化为0后，放到了进程地址空间的数据段中了，在进程地址空间中就没有必要存在BSS段了，因此都称做数据段。同理，.rodata字段也是与text段放在一起了。

在ELF文件中，找不到局部非静态变量和动态分配的内容。

 

以上有很多地方的分析，我在网上基本找不到很明确的结论，很多教材上也没有描述，只是我通过程序分析得出的结论，如有不妥之处，请指出，欢迎交流。

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