深入理解C程序内存布局

1、堆和栈的区别，堆和栈的最大限制

    堆主要用来分配动态内存，操作系统提供了malloc等内存分配机制来供程序员进行堆内存的分配，同时，堆内存的释放需要程序员来进行。malloc分配的是虚拟地址空间，和用到的实实在在的物理内存是两码事，只有真正往空间里写东西了，os内核会触发缺页异常，然后才真正得到物理内存。32位Linux系统总共有4G内存空间，Linux把最高的1G(0xC0000000-0xFFFFFFFF)作为内核空间，把低地址的3G（0x00000000-0xBFFFFFFF）作为用户空间。malloc函数在这3G的用户空间中分配内存，能分配到的大小不超过3G，需除去栈、数据段（初始化及未初始化的）、共享so及代码段等占的内存空间。堆的地址空间是由低向高增长的（先分配低地址）。我用以下程序进行测试：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
     char *ch = NULL;
     unsigned int size = 2147 * 1000000;
     ch = (char *)malloc(size);
     if(ch == NULL)
         perror("malloc failed\n");
     else
         printf("malloc success\n");
     free(ch);
     return 0;
}

发现最大能分配的内存约为2.147GB。
为什么这么说： 我们可以看malloc函数的原型void *malloc(size_t size); size_t 在stddef.h里定义的是unsigned int类型，故在ilp32平台上其最大取值是2147483647

   栈由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。栈的地址空间是由高向低减少的（先分配高地址）。在Linux中，用ulimit -a命令可以看到栈的最大分配空间(stack size)是8192kB，即8MB多。

 2、Linux中进程最大地址空间

Linux的虚拟地址空间也为0～4G。Linux内核将虚拟的4G字节的空间分为两部分。
将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为"内核空间"。将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为"用户空间"。因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。
其中，很重要的一点是虚拟地址空间，并不是实际的地址空间。进程地址空间是用多少分配多少，4G仅仅是最大限额而已。往往，一个进程的地址空间总是小于4G的，你可以通过查看/proc/pid/maps文件来获悉某个具体进程的地址空间。但进程的地址空间并不对应实际的物理页，Linux采用Lazy的机制来分配实际的物理页（"Demand paging"和"和写时复制（Copy On Write）的技术"),从而提高实际内存的使用率。即每个虚拟内存页并不一定对应于物理页。虚拟页和物理页的对应是通过映射的机制来实现的，即通过页表进行映射到实际的物理页。因为每个进程都有自己的页表，因此可以保证不同进程从上到下（地址从高到低）依次为栈（函数内部局部变量），堆（动态分配内存） ，bss段（存未初始化的全局变量），数据段（存初始化的全局变量），文本段(存代码)同虚拟地址可以映射到不同的物理页，从而为不同的进程都可以同时拥有4G的虚拟地址空间提供了可能。

3、C/C++程序在Linux中的内存布局

用以下程序进行测试

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

char bss_1[40];
static double bss_2;
int data_1 = 13;
static long data_2 = 2001;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int stack_1 = 3, stack_2, *heap_1, *heap_2;
    heap_1 = malloc(sizeof(stack_1));
    heap_2 = malloc(sizeof(stack_1));
    bss_1[5] = stack_1;
    bss_2 = 2.0 * data_1;
    printf("stack segment: stack_1:%p, stack_2:%p\n", &stack_1, &stack_2);
    printf("heap segment: heap_1:%p, heap_2:%p\n", heap_1, heap_2);
    printf("bss segment:  bss_1:%p, bss_2:%p\n", bss_1, &bss_2);
    printf("data segment: data_1:%p, data_2:%p\n", &data_1, &data_2);
    printf("the stack top is near %p\n", &stack_1);
    return 0;
}

运行结果：
stack segment: stack_1:0xbfab012c, stack_2:0xbfab0128
stack segment: stack_1:0xbfb9e2ec, stack_2:0xbfb9e2e8
heap segment: heap_1:0x8c56008, heap_2:0x8c56018
bss segment:  bss_1:0x804a040, bss_2:0x804a028
data segment: data_1:0x804a018, data_2:0x804a01c
the stack top is near 0xbfb9e2ec

由此可见：从上到下（地址从高到低）依次为栈（函数内部局部变量），动态链接库，堆（动态分配内存），bss段（存未初始化的全局变量），数据段（存初始化的全局变量），文本段(存代码)

4、在 linux 下,程序运行时空间的分配情况:

#cat /proc/self/maps

===============================================================================
00110000-00267000 r-xp 00000000 08:08 406311     /lib/libc-2.12.1.so
00267000-00269000 r--p 00157000 08:08 406311     /lib/libc-2.12.1.so
00269000-0026a000 rw-p 00159000 08:08 406311     /lib/libc-2.12.1.so
0026a000-0026d000 rw-p 00000000 00:00 0
0038f000-00390000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]
0040e000-0042a000 r-xp 00000000 08:08 402927     /lib/ld-2.12.1.so
0042a000-0042b000 r--p 0001b000 08:08 402927     /lib/ld-2.12.1.so
0042b000-0042c000 rw-p 0001c000 08:08 402927     /lib/ld-2.12.1.so
08048000-08051000 r-xp 00000000 08:08 390934     /bin/cat
08051000-08052000 r--p 00008000 08:08 390934     /bin/cat
08052000-08053000 rw-p 00009000 08:08 390934     /bin/cat
09058000-09079000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]
b740f000-b75a2000 r--p 002a3000 08:08 130931     /usr/lib/locale/locale-archive
b75a2000-b77a2000 r--p 00000000 08:08 130931     /usr/lib/locale/locale-archive
b77a2000-b77a3000 rw-p 00000000 00:00 0
b77b5000-b77b7000 rw-p 00000000 00:00 0
bf987000-bf9a8000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack]
===============================================================================

解释：

每个区间都有四个属性:

r 表示可以读取。

w 表示可以修改。

x 表示可以执行。

p/s 表示是否为共享内存。

有文件名的内存区间,属性为 r—p 表示存放的是 rodata。

有文件名的内存区间,属性为 rw-p 表示存放的是 bss 和 data

有文件名的内存区间,属性为 r-xp 表示存放的是 text 数据。

没有文件名的内存区间,表示用 mmap 映射的匿名空间。

文件名为[stack]的内存区间表示是栈。

文件名为[heap]的内存区间表示是堆。