C程式記憶體佈局

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作為計算機專業的來說,程式入門基本都是從C語言開始的,瞭解C程式中的記憶體佈局,對我們瞭解整個程式執行,分析程式出錯原因,會起到事半功倍的作用 。

C程式的記憶體佈局包含五個段,分別是STACK(棧段),HEAP(堆段),BSS(以符號開頭的塊),DS(資料段)和TEXT(文字段)。

每個段都有自己的讀取,寫入和可執行許可權。如果程式嘗試以不允許的方式訪問記憶體,則會發生段錯誤,也就是我們常說的coredump。

段錯誤是導致程式崩潰的常見問題。核心檔案(核心轉儲檔案)也與段錯誤相關聯,開發人員使用該檔案來查詢崩潰的根本原因(段錯誤)。

下面我們將深入這五個段,更加詳細的講解每個段在程式開發或者執行中的作用。

High Addresses ---> .----------------------.
                    |      Environment     |
                    |----------------------|
                    |                      |   Functions and variable are declared
                    |         STACK        |   on the stack.
base pointer ->     | - - - - - - - - - - -|
                    |           |          |
                    |           v          |
                    :                      :
                    .                      .   The stack grows down into unused space
                    .         Empty        .   while the heap grows up. 
                    .                      .
                    .                      .   (other memory maps do occur here, such 
                    .                      .    as dynamic libraries, and different memory
                    :                      :    allocate)
                    |           ^          |
                    |           |          |
 brk point ->       | - - - - - - - - - - -|   Dynamic memory is declared on the heap
                    |          HEAP        |
                    |                      |
                    |----------------------|
                    |          BSS         |   Uninitialized data (BSS)
                    |----------------------|   
                    |          Data        |   Initialized data (DS)
                    |----------------------|
                    |          Text        |   Binary code
Low Addresses ----> '----------------------'

  • 它位於較高的地址,與堆段的增長和收縮方向正好相反。
  • 函式的區域性變數存在於棧上
  • 呼叫函式時,將在棧中建立一個棧幀。
  • 每個函式都有一個棧幀。
  • 棧幀包含函式的區域性變數引數和返回值。
  • 棧包含一個LIFO結構。函式變數在呼叫時被壓入棧,返回時將函式變數從棧彈出。
  • SP(棧指標)暫存器跟蹤棧的頂部。
#include 
int main(void) {
    int data; // 區域性變數,儲存在棧上
    return 0;
}

  • 用於在執行時分配記憶體。
  • 由記憶體管理函式(如malloc、calloc、free等)管理的堆區域,這些函式可以在內部使用brk和sbrk系統呼叫來調整其大小。
  • 堆區域由程序中的所有共享庫和動態載入的模組共享。
  • 它在堆疊的相反方向上增長和收縮。
#include 
int main(void) {
    char *pStr = malloc(sizeof(char)*4); //pStr指向堆地址
    return 0;
}

BSS(未初始化的資料塊)

  • 包含所有未初始化的全域性和靜態變數。
  • 此段中的所有變數都由零或者空指標初始化。
  • 程式載入器在載入程式時為BSS節分配記憶體。
#include 
int data1; // 未初始化的全域性變數儲存在BSS段
int main(void) {
    static int data2;  // 未初始化的靜態變數儲存在BSS段
    return 0;
}

DS(初始化的資料塊)

  • 包含顯式初始化的全域性變數和靜態變數。
  • 此段的大小由程式原始碼中值的大小決定,在執行時不會更改。
  • 它具有讀寫許可權,因此可以在執行時更改此段的變數值。
  • 該段可進一步分為初始化只讀區和初始化讀寫區。
#include 
int data1 = 10 ; //初始化的全域性變數儲存在DS段
int main(void) {
    static int data2 = 3;  //初始化的靜態變數儲存在DS段
    return 0;
}

TEXT

  • 該段包含已編譯程式的二進位制檔案。
  • 該段是一個只讀段,用於防止程式被意外修改。
  • 該段是可共享的,因此對於文字編輯器等頻繁執行的程式,記憶體中只需要一個副本。

深入

現在有一個簡單的程式,程式碼如下:

#include  
  
int main(void) { 
    return 0; 
}

我們通過如下命令進行編譯

gcc -g a.cc -o a

然後通過size命令,可以看到各個段的大小

[[email protected] src]# gcc a.c -o a
[[email protected] src]# size a
   text    data     bss     dec     hex filename
   1040     484      16    1540     604 a

其中前三列分別為可執行程式a的text、data以及bss段的大小,第四列為該三段大小之和,第四列為該大小的十六進位制表示,最後一列是檔名。

增加一個未初始化的靜態變數

#include  
    
int main(void) { 
    static int data;
    return 0; 
}

通過size命令

[[email protected] src]# size a
   text    data     bss     dec     hex filename
   1040     484      24    1548     60c a

從上面可以看出,bss段size變大

增加一個初始化的靜態變數

#include  
    
int main(void) { 
    static int data = 10;
    return 0; 
}

通過size命令

[[email protected] src]# size a
   text    data     bss     dec     hex filename
   1040     488      16    1544     608 a

從上面可以看出,data段size變大

增加一個未初始化的全域性變數

#include  
int data;
int main(void) { 
    return 0; 
}

通過size命令

[[email protected] src]# size a
   text    data     bss     dec     hex filename
   1040     484      24    1548     60c a

從上面可以看出,bss段size變大

資料段的只讀區域和讀寫區域

#include 
char str[]= "Hello world";
int main(void) {
    printf("%s\n",str);
    str[0]='K';
    printf("%s\n",str);
    return 0;
}

輸出

Hello world
Kello world

可以看到上面的示例str是一個全域性陣列,因此它將進入資料段。 還可以看到能夠更改該值,因此它具有讀取和寫入許可權。

現在檢視其他示例程式碼

#include 
char *str= "Hello world";
int main(void) {
    str[0]='K';
    printf("%s\n",str);
    return 0;
}

在上面的示例中,我們無法更改陣列字元是因為它是文字字串。常量字串不僅會出現在資料部分,而且所有型別的const全域性資料都將進入該部分。

資料塊只讀部分,通常除了const變數和常量字串外,程式的文字部分(通常是.rodata段)也存在於資料塊的只讀部分,因為通常無法通過程式進行修改。