作者：吳秦

出處：http://www.cnblogs.com/skynet/

為什么需要知道C/C++的內(nèi)存布局和在哪可以可以找到想要的數(shù)據(jù)？知道內(nèi)存布局對(duì)調(diào)試程序非常有幫助，可以知道程序執(zhí)行時(shí)，到底做了什么，有助于寫出干凈的代碼。本文的主要內(nèi)容如下：

• 源文件轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件
• 可執(zhí)行程序組成及內(nèi)存布局
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類別
• 一個(gè)實(shí)例
• 總結(jié)

源文件轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件

源文件經(jīng)過以下幾步生成可執(zhí)行文件：

• 1、預(yù)處理（preprocessor）：對(duì)#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等進(jìn)行處理
• 2、編譯（compiler）：將源碼編譯為匯編代碼
• 3、匯編（assembler）：將匯編代碼匯編為目標(biāo)代碼
• 4、鏈接（linker）：將目標(biāo)代碼鏈接為可執(zhí)行文件

編譯器和匯編器創(chuàng)建的目標(biāo)文件包含：二進(jìn)制代碼（指令）、源碼中的數(shù)據(jù)；鏈接器將多個(gè)目標(biāo)文件鏈接成一個(gè)；裝載器吧目標(biāo)文件加載到內(nèi)存。

圖1 源文件到可執(zhí)行文件的步驟

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可執(zhí)行程序組成及內(nèi)存布局

通過上面的小節(jié)，我們知道將源程序轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行程序的步驟，典型的可執(zhí)行文件分為兩部分：

• 代碼段（Code），由機(jī)器指令組成，該部分是不可改的，編譯之后就不再改變，放置在文本段（.text）。
• 數(shù)據(jù)段（Data），它由以下幾部分組：
  • 常量（constant），通常放置在只讀read-only的文本段（.text）
  • 靜態(tài)數(shù)據(jù)（static data），初始化的放置在數(shù)據(jù)段（.data）；未初始化的放置在（.bss，Block Started by Symbol，BSS段的變量只有名稱和大小卻沒有值）
  • 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（dynamic data），這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在堆（heap）或棧（stack）

源程序編譯后鏈接到一個(gè)以0地址為始地址的線性或多維虛擬地址空間。而且每個(gè)進(jìn)程都擁有這樣一個(gè)空間，每個(gè)指令和數(shù)據(jù)都在這個(gè)虛擬地址空間擁有確定的地址，把這個(gè)地址稱為虛擬地址（Virtual Address）。將進(jìn)程中的目標(biāo)代碼、數(shù)據(jù)等的虛擬地址組成的虛擬空間稱為虛擬存儲(chǔ)器（Virtual Memory）。典型的虛擬存儲(chǔ)器中有類似的布局：

• Text Segment (.text)
• Initialized Data Segment (.data)
• Uninitialized Data Segment (.bss)
• The Stack
• The Heap

如下圖所示：

圖2 進(jìn)程內(nèi)存布局

當(dāng)進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，內(nèi)核為其提供一塊物理內(nèi)存，將虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存，這些都是由操作系統(tǒng)來做的。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類別

討論C/C++中的內(nèi)存布局，不得不提的是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)類別！數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置取決于它的存儲(chǔ)類別。一個(gè)對(duì)象是內(nèi)存的一個(gè)位置，解析這個(gè)對(duì)象依賴于兩個(gè)屬性：存儲(chǔ)類別、數(shù)據(jù)類型。

• 存儲(chǔ)類別決定對(duì)象在內(nèi)存中的生命周期。
• 數(shù)據(jù)類型決定對(duì)象值的意義，在內(nèi)存中占多大空間。

C/C++中由（auto、 extern、 register、 static）存儲(chǔ)類別和對(duì)象聲明的上下文決定它的存儲(chǔ)類別。

1、自動(dòng)對(duì)象（automatic objects）

auto和register將聲明的對(duì)象指定為自動(dòng)存儲(chǔ)類別。他們的作用域是局部的，諸如一個(gè)函數(shù)內(nèi)，一個(gè)代碼塊{***}內(nèi)等。操作了作用域，對(duì)象會(huì)被銷毀。

• 在一個(gè)代碼塊中聲明一個(gè)對(duì)象，如果沒有執(zhí)行auto，那么默認(rèn)是自動(dòng)存儲(chǔ)類別。
• 聲明為register的對(duì)象是自動(dòng)存儲(chǔ)類別，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的快速寄存器中。不可以對(duì)register對(duì)象做取值操作“&”。

2、靜態(tài)對(duì)象（static objects）

靜態(tài)對(duì)象可以局部的，也可以是全局的。靜態(tài)對(duì)象一直保持它的值，例如進(jìn)入一個(gè)函數(shù)，函數(shù)中的靜態(tài)對(duì)象仍保持上次調(diào)用時(shí)的值。包含靜態(tài)對(duì)象的函數(shù)不是線程安全的、不可重入的，正是因?yàn)樗哂小坝洃洝惫δ堋?/p>

• 局部對(duì)象聲明為靜態(tài)之后，將改變它在內(nèi)存中保存的位置，由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)--->靜態(tài)數(shù)據(jù)，即從堆或棧變?yōu)閿?shù)據(jù)段或bbs段。
• 全局對(duì)象聲明為靜態(tài)之后，而不會(huì)改變它在內(nèi)存中保存的位置，仍然是在數(shù)據(jù)段或bbs段。但是static將改變它的作用域，即該對(duì)象僅在本源文件有效。此相反的關(guān)鍵字是extern，使用extern修飾或者什么都不帶的全局對(duì)象的作用域是整個(gè)程序。

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一個(gè)實(shí)例

下面我們分析一段代碼：

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int a; static int b; void func( void ) { ????char c; ????static int d; } int main( void ) { ????int e; ????int *pi = ( int *) malloc ( sizeof ( int )); ????func (); ????func (); ????free (pi ); ????return (0); }

程序中聲明的變量a、b、c、d、e、pi的存儲(chǔ)類別和生命期如下所述：

• a是一個(gè)未初始化的全局變量，作用域?yàn)檎麄€(gè)程序，生命期是整個(gè)程序運(yùn)行期間，在內(nèi)存的bbs段
• b是一個(gè)未初始化的靜態(tài)全局變量，作用域?yàn)楸驹次募?#xff0c;生命期是整個(gè)程序運(yùn)行期間，在內(nèi)存的bbs段
• c是一個(gè)未初始化的局部變量，作用域?yàn)楹瘮?shù)func體內(nèi)，即僅在函數(shù)體內(nèi)可見，生命期也是函數(shù)體內(nèi)，在內(nèi)存的棧中
• d是一個(gè)未初始化的靜態(tài)局部變量，作用域?yàn)楹瘮?shù)func體內(nèi)，即僅在函數(shù)體內(nèi)可見，生命期是整個(gè)程序運(yùn)行期間，在內(nèi)存的bbs段
• e是一個(gè)未初始化的局部變量，作用域?yàn)楹瘮?shù)main體內(nèi)，即僅在函數(shù)體內(nèi)可見，生命期是main函數(shù)內(nèi)，在內(nèi)存的棧中
• pi是一個(gè)局部指針，指向堆中的一塊內(nèi)存塊，該塊的大小為sizeof(int)，pi本身存儲(chǔ)在內(nèi)存的棧中，生命期是main函數(shù)內(nèi)
• 新申請(qǐng)的內(nèi)存塊在堆中，生命期是malloc/free之間

用圖表示如下：

圖3 例子的內(nèi)存布局

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總結(jié)

本文介紹了C/C++中由源程序到可執(zhí)行文件的步驟，和可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類別，最后還通過一個(gè)例子來說明。可執(zhí)行程序中的變量在內(nèi)存中的布局可以總結(jié)為如下：

• 變量（函數(shù)外）：如果未初始化，則存放在BSS段；否則存放在data段
• 變量（函數(shù)內(nèi)）：如果沒有指定static修飾符，則存放在棧中；否則同上
• 常量：存放在文本段.text
• 函數(shù)參數(shù)：存放在棧或寄存器中

內(nèi)存可以分為以下幾段：

• 文本段：包含實(shí)際要執(zhí)行的代碼（機(jī)器指令）和常量。它通常是共享的，多個(gè)實(shí)例之間共享文本段。文本段是不可修改的。
• 初始化數(shù)據(jù)段：包含程序已經(jīng)初始化的全局變量，.data。
• 未初始化數(shù)據(jù)段：包含程序未初始化的全局變量，.bbs。該段中的變量在執(zhí)行之前初始化為0或NULL。
• 棧：由系統(tǒng)管理，由高地址向低地址擴(kuò)展。
• 堆：動(dòng)態(tài)內(nèi)存，由用戶管理。通過malloc/alloc/realloc、new/new[]申請(qǐng)空間，通過free、delete/delete[]釋放所申請(qǐng)的空間。由低地址想高地址擴(kuò)展。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的c++内存分布的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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