Linux下C程序进程地址空间布局

「爱情、让人受尽委屈。」 2024-02-19 13:17 9阅读 0赞

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。

![0_1319292735e8Ey.gif][]

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）：

![0_1319296272g9ho.gif][]

先看一段程序。

[view plain][] [copy to clipboard][view plain]

1.  \#include <stdio.h> 
2.  \#include <stdlib.h> 
3.  
4.  **int** global\_init\_a=1; 
5.  **int** global\_uninit\_a; 
6.  **static****int** static\_global\_init\_a=1; 
7.  **static****int** static\_global\_uninit\_a; 
8.  **const****int** const\_global\_a=1; 
9.  
10. **int** global\_init\_b=1; 
11. **int** global\_uninit\_b; 
12. **static****int** static\_global\_init\_b=1; 
13. **static****int** static\_global\_uninit\_b; 
14. **const****int** const\_global\_b=1; 
15. /\*上面全部为全局变量，main函数中的为局部变量\*/
16. **int** main() 
17. \{ 
18. **int** local\_init\_a=1; 
19. **int** local\_uninit\_a; 
20. **static****int** static\_local\_init\_a=1; 
21. **static****int** static\_local\_uninit\_a; 
22. **const****int** const\_local\_a=1; 
23. 
24. **int** local\_init\_b=1; 
25. **int** local\_uninit\_b; 
26. **static****int** static\_local\_init\_b=1; 
27. **static****int** static\_local\_uninit\_b; 
28. **const****int** const\_local\_b=1; 
29. 
30. **int** \* malloc\_p\_a; 
31.  malloc\_p\_a=malloc(**sizeof**(**int**)); 
32. 
33.  printf("\\n &global\_init\_a=%p \\t 
34.  global\_init\_a=%d\\n",&global\_init\_a,global\_init\_a); 
35. 
36.  printf(" &global\_uninit\_a=%p \\t 
37.  global\_uninit\_a=%d\\n",&global\_uninit\_a,global\_uninit\_a); 
38. 
39.  printf(" &static\_global\_init\_a=%p \\t 
40.  static\_global\_init\_a=%d\\n",&static\_global\_init\_a,static\_global\_init\_a); 
41. 
42.  printf("&static\_global\_uninit\_a=%p \\t 
43.  static\_global\_uninit\_a=%d\\n",&static\_global\_uninit\_a,static\_global\_uninit\_a); 
44. 
45.  printf(" &const\_global\_a=%p \\t 
46.  const\_global\_a=%d\\n",&const\_global\_a,const\_global\_a); 
47. 
48. 
49.  printf("\\n &global\_init\_b=%p \\t 
50.  global\_init\_b=%d\\n",&global\_init\_b,global\_init\_b); 
51. 
52.  printf(" &global\_uninit\_b=%p \\t 
53.  global\_uninit\_b=%d\\n",&global\_uninit\_b,global\_uninit\_b); 
54. 
55.  printf(" &static\_global\_init\_b=%p \\t 
56.  static\_global\_init\_b=%d\\n",&static\_global\_init\_b,static\_global\_init\_b); 
57. 
58.  printf("&static\_global\_uninit\_b=%p \\t 
59.  static\_global\_uninit\_b=%d\\n",&static\_global\_uninit\_b,static\_global\_uninit\_b); 
60. 
61.  printf(" &const\_global\_b=%p \\t 
62.  const\_global\_b=%d\\n",&const\_global\_b,const\_global\_b); 
63. 
64. 
65. 
66.  printf("\\n &local\_init\_a=%p \\t 
67.  local\_init\_a=%d\\n",&local\_init\_a,local\_init\_a); 
68. 
69.  printf(" &local\_uninit\_a=%p \\t 
70.  local\_uninit\_a=%d\\n",&local\_uninit\_a,local\_uninit\_a); 
71. 
72.  printf(" &static\_local\_init\_a=%p \\t 
73.  static\_local\_init\_a=%d\\n",&static\_local\_init\_a,static\_local\_init\_a); 
74. 
75.  printf(" &static\_local\_uninit\_a=%p \\t 
76.  static\_local\_uninit\_a=%d\\n",&static\_local\_uninit\_a,static\_local\_uninit\_a); 
77. 
78.  printf(" &const\_local\_a=%p \\t 
79.  const\_local\_a=%d\\n",&const\_local\_a,const\_local\_a); 
80. 
81. 
82.  printf("\\n &local\_init\_b=%p \\t 
83.  local\_init\_b=%d\\n",&local\_init\_b,local\_init\_b); 
84. 
85.  printf(" &local\_uninit\_b=%p \\t 
86.  local\_uninit\_b=%d\\n",&local\_uninit\_b,local\_uninit\_b); 
87. 
88.  printf(" &static\_local\_init\_b=%p \\t 
89.  static\_local\_init\_b=%d\\n",&static\_local\_init\_b,static\_local\_init\_b); 
90. 
91.  printf(" &static\_local\_uninit\_b=%p \\t 
92.  static\_local\_uninit\_b=%d\\n",&static\_local\_uninit\_b,static\_local\_uninit\_b); 
93. 
94.  printf(" &const\_local\_b=%p \\t 
95.  const\_local\_b=%d\\n",&const\_local\_b,const\_local\_b); 
96. 
97. 
98.  printf(" malloc\_p\_a=%p \\t 
99.  \*malloc\_p\_a=%d\\n",malloc\_p\_a,\*malloc\_p\_a); 
100. 
101. **return** 0; 
102. \}

**\[cpp\]** [view plain][view plain 1] [copy][view plain 1]

1.  \#include <stdio.h>\#include <stdlib.h>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。

![0_1319291233G3Fq.gif][]

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。**

![0_13192933405ZPT.gif][]

**使用ps命令查看一下进程的pid**

\#ps -aux | grep a.out

![0_1319293790g5UP.gif][]

**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

![0_13192938162jG2.gif][]

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）：

![0_1319296523sGdn.gif][]

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：

![0_1319296665xX21.gif][]

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

![0_1319297156d3UK.gif][]

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。

作者：沧海猎人 出处：[http://blog.csdn.net/embedded\_hunter][http_blog.csdn.net_embedded_hunter] 转载请注明出处 嵌入式技术交流QQ群：179012822

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