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Linux下C程序進程地址空間布局

作者：滄海獵人
開發(fā) 后端
今天我們將從進程地址空間中典型的存儲區(qū)域分配情況開始講起，然后順序到Linux下C程序進程地址空間布局。

　　我們在學習C程序開發(fā)時經常會遇到一些概念：代碼段、數(shù)據(jù)段、BSS段（Block Started by Symbol） 、堆（heap）和棧（stack）。先看一張教材上的示意圖（來源，《UNIX環(huán)境高級編程》一書），顯示了進程地址空間中典型的存儲區(qū)域分配情況。

從圖中可以看出：

從低地址到高地址分別為：代碼段、（初始化）數(shù)據(jù)段、（未初始化）數(shù)據(jù)段（BSS）、堆、棧、命令行參數(shù)和環(huán)境變量堆向高內存地址生長棧向低內存地址生長

　　還經?？吹较旅孢@個圖（來源，不詳）：

先看一段程序。

  1. #include <stdio.h>　  
  2. #include <stdlib.h>　  
  3. int global_init_a=1;   
  4. int global_uninit_a;   
  5. static int static_global_init_a=1;   
  6. static int static_global_uninit_a;   
  7. const int const_global_a=1;   
  8. int global_init_b=1;   
  9. int global_uninit_b;   
  10. static int static_global_init_b=1;   
  11. static int static_global_uninit_b;   
  12. const int const_global_b=1; /*上面全部為全局變量，main函數(shù)中的為局部變量*/　int main() 　　  
  13. int local_init_a=1; 　　  
  14. int local_uninit_a; 　　  
  15. static int static_local_init_a=1; 　　  
  16. static int static_local_uninit_a; 　　  
  17. const int const_local_a=1; 　　  
  18. int local_init_b=1; 　　  
  19. int local_uninit_b; 　　  
  20. static int static_local_init_b=1; 　　  
  21. static int static_local_uninit_b; 　　  
  22. const int const_local_b=1; 　　  
  23. int * malloc_p_a; 　　  
  24. malloc_p_a=malloc(sizeof(int)); 　　  
  25. printf(" &global_init_a=%p 　　　　   
  26. global_init_a=%d ",&global_init_a,global_init_a); 　　
  27. printf(" &global_uninit_a=%p 　　　　  
  28. global_uninit_a=%d ",&global_uninit_a,global_uninit_a); 　
  29. 　printf(" &static_global_init_a=%p 　　　　  
  30. static_global_init_a=%d ",&static_global_init_a,static_global_init_a); 　
  31. 　printf("&static_global_uninit_a=%p 　　　　
  32. static_global_uninit_a=%d ",&static_global_uninit_a,static_global_uninit_a); 
  33. 　　printf(" &const_global_a=%p 　　　　  
  34. const_global_a=%d ",&const_global_a,const_global_a); 　
  35. 　printf(" &global_init_b=%p 　　　　  
  36. global_init_b=%d ",&global_init_b,global_init_b); 　
  37. 　printf(" &global_uninit_b=%p 　　　　  
  38. global_uninit_b=%d ",&global_uninit_b,global_uninit_b); 
  39. 　printf(" &static_global_init_b=%p 　　　
  40. 　static_global_init_b=%d ",&static_global_init_b,static_global_init_b); 
  41. 　　printf("&static_global_uninit_b=%p 　　　　
  42. static_global_uninit_b=%d ",&static_global_uninit_b,static_global_uninit_b); 　
  43. 　printf(" &const_global_b=%p 　　　　  
  44. const_global_b=%d ",&const_global_b,const_global_b); 　　  
  45. printf(" &local_init_a=%p 　　　　  
  46. local_init_a=%d ",&local_init_a,local_init_a); 　　  
  47. printf(" &local_uninit_a=%p 　　　　  
  48. local_uninit_a=%d ",&local_uninit_a,local_uninit_a); 　
  49. 　printf(" &static_local_init_a=%p 　　　　
  50. static_local_init_a=%d ",&static_local_init_a,static_local_init_a); 　　  
  51. printf(" &static_local_uninit_a=%p 　　　　
  52. static_local_uninit_a=%d ",&static_local_uninit_a,static_local_uninit_a); 　
  53. 　printf(" &const_local_a=%p 　　　　  
  54. const_local_a=%d ",&const_local_a,const_local_a); 　　  
  55. printf(" &local_init_b=%p 　　　　  
  56. local_init_b=%d ",&local_init_b,local_init_b); 　　  
  57. printf(" &local_uninit_b=%p 　　　　  
  58. local_uninit_b=%d ",&local_uninit_b,local_uninit_b); 　　
  59. printf(" &static_local_init_b=%p 　　　　  
  60. static_local_init_b=%d ",&static_local_init_b,static_local_init_b); 　  
  61. 　printf(" &static_local_uninit_b=%p 　　　　
  62. static_local_uninit_b=%d ",&static_local_uninit_b,static_local_uninit_b); 　
  63. 　printf(" &const_local_b=%p 　　　  
  64. 　const_local_b=%d ",&const_local_b,const_local_b); 　
  65. 　printf(" malloc_p_a=%p 　　　　  
  66. *malloc_p_a=%d ",malloc_p_a,*malloc_p_a); 　　  
  67. return 0; 

　　下面是輸出結果。

　　先仔細分析一下上面的輸出結果，看看能得出什么結論。貌似很難分析出來什么結果。好了我們繼續(xù)往下看吧。

　　接下來，通過查看proc文件系統(tǒng)下的文件，看一下這個進程的真實內存分配情況。（我們需要在程序結束前加一個死循環(huán)，不讓進程結束，以便我們進一步分析）。

　　在return 0前，增加 while(1); 語句

　　重新編譯后，運行程序，程序將進入死循環(huán)。

使用ps命令查看一下進程的pid

　　#ps -aux | grep a.out

　　查看/proc/2699/maps文件，這個文件顯示了進程在內存空間中各個區(qū)域的分配情況。

　　#cat /proc/2699/maps

上面紅顏色標出的幾個區(qū)間是我們感興趣的區(qū)間：

08048000-08049000 r-xp 貌似是代碼段08049000-0804a000 r--p 暫時不清楚，看不出來0804a000-0804b000 rw-p 貌似為數(shù)據(jù)段08a7e000-08a9f000 rw-p 堆bff73000-bff88000 rw-p 棧

　　我們把這些數(shù)據(jù)與最后一次的程序運行結果進行比較，看看有什么結論。

　　&global_init_a=0x804a018 全局初始化：數(shù)據(jù)段 global_init_a=1
　　　　　　&global_uninit_a=0x804a04c 全局未初始化：數(shù)據(jù)段 global_uninit_a=0
　　 &static_global_init_a=0x804a01c 全局靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038 全局靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_uninit_a=0
　　　　　　 &const_global_a=0x80487c0 全局只讀變量： 代碼段 const_global_a=1

　　　　　　　　 &global_init_b=0x804a020 全局初始化：數(shù)據(jù)段 global_init_b=1
　　　　　　&global_uninit_b=0x804a048 全局未初始化：數(shù)據(jù)段 global_uninit_b=0
　　 &static_global_init_b=0x804a024 全局靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c 全局靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_uninit_b=0
　　　　　　&const_global_b=0x80487c4 全局只讀變量： 代碼段 const_global_b=1

　　　　　　　　 &local_init_a=0xbff8600c 局部初始化：棧 local_init_a=1
　　　　　　 &local_uninit_a=0xbff86008 局部未初始化：棧 local_uninit_a=134514459
　　 &static_local_init_a=0x804a028 局部靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_init_a=1
&static_local_uninit_a=0x804a040 局部靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_uninit_a=0
　　　　　　 &const_local_a=0xbff86004 局部只讀變量：棧 const_local_a=1

　　　　　　　　　&local_init_b=0xbff86000 局部初始化：棧 local_init_b=1
　　　　　　　　&local_uninit_b=0xbff85ffc 局部未初始化：棧 local_uninit_b=-1074241512
　　　&static_local_init_b=0x804a02c 局部靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_init_b=1
&static_local_uninit_b=0x804a044 局部靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_uninit_b=0
　　　　　　　　&const_local_b=0xbff85ff8 局部只讀變量：棧 const_local_b=1


　　p_chars=0x80487c8 字符串常量：代碼段 p_chars=abcdef
　　　　　　　　　　malloc_p_a=0x8a7e008 malloc動態(tài)分配：堆 *malloc_p_a=0

通過以上分析我們暫時可以得到的結論如下，在進程的地址空間中：

數(shù)據(jù)段中存放：全局變量（初始化以及未初始化的）、靜態(tài)變量（全局的和局部的、初始化的以及未初始化的）代碼段中存放：全局只讀變量（const）、字符串常量堆中存放：動態(tài)分配的區(qū)域棧中存放：局部變量（初始化以及未初始化的，但不包含靜態(tài)變量）、局部只讀變量（const）

　　這里我們沒有發(fā)現(xiàn)BSS段，但是我們將未初始化的數(shù)據(jù)按照地址進行排序看一下，可以發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律。

　　&global_init_a=0x804a018 全局初始化：數(shù)據(jù)段 global_init_a=1
　　&static_global_init_a=0x804a01c 全局靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_init_a=1
　　　　　　　　&global_init_b=0x804a020 全局初始化：數(shù)據(jù)段 global_init_b=1
　　&static_global_init_b=0x804a024 全局靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_init_b=1
　　　 &static_local_init_a=0x804a028 局部靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_init_a=1
　　　 &static_local_init_b=0x804a02c 局部靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_init_b=1

&static_global_uninit_a=0x804a038 全局靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_uninit_a=0
&static_global_uninit_b=0x804a03c 全局靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_uninit_b=0
　&static_local_uninit_a=0x804a040 局部靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_uninit_a=0
　&static_local_uninit_b=0x804a044 局部靜態(tài)未初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_uninit_b=0
　　　　　 &global_uninit_b=0x804a048 全局未初始化：數(shù)據(jù)段 global_uninit_b=0
　　　　　　&global_uninit_a=0x804a04c 全局未初始化：數(shù)據(jù)段 global_uninit_a=0


　　這里可以發(fā)現(xiàn)，初始化的和未初始化的數(shù)據(jù)好像是分開存放的，因此我們可以猜測BSS段是存在的，只不過數(shù)據(jù)段是分為初始化和未初始化（即BSS段）的兩部分，他們在加載到進程地址空間時是合并為數(shù)據(jù)段了，在進程地址空間中沒有單獨分為一個區(qū)域。

　　還有一個問題，靜態(tài)數(shù)據(jù)與非靜態(tài)數(shù)據(jù)是否是分開存放的呢？請讀者自行分析一下。

　　接下來我們從程序的角度看一下，這些存儲區(qū)域是如何分配的。首先我們先介紹一下ELF文件格式。

ELF（Executable and Linkable Format ）文件格式是一個開放標準，各種UNIX系統(tǒng)的可執(zhí)行文件都采用ELF格式，它有三種不同的類型：–可重定位的目標文件（Relocatable，或者Object File）–可執(zhí)行文件（Executable）–共享庫（Shared Object，或者Shared Library）下圖為ELF文件的結構示意圖（來源，不詳）：

　　一個程序編譯生成目標代碼文件（ELF文件）的過程如下，此圖引自《程序員的自我修養(yǎng)》一書的一個圖：

　　　　　　　　

　　可以通過readelf命令查看EFL文件的相關信息，例如 readelf -a a.out ，我們只關心各個段的分配情況，因此我們使用以下命令：

　　# readelf -S a.out　 　　　　　　　　　　

將這里的內存布局與之前看到的程序的運行結果進行分析：

　　&global_init_a=0x804a018 全局初始化：數(shù)據(jù)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 全局靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038 全局靜態(tài)未初始化：BSS段 static_global_uninit_a=0
　　　　　　 &const_global_a=0x80487c0 全局只讀變量： 只讀數(shù)據(jù)段 const_global_a=1

　　　　　　　　 &global_init_b=0x804a020 全局初始化：數(shù)據(jù)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 全局靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c 全局靜態(tài)未初始化：BSS段 static_global_uninit_b=0
　　　　　　&const_global_b=0x80487c4 全局只讀變量： 只讀數(shù)據(jù)段 const_global_b=1

　　 &static_local_init_a=0x804a028 局部靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_init_a=1
&static_local_uninit_a=0x804a040 局部靜態(tài)未初始化：BSS段 static_local_uninit_a=0

　　　&static_local_init_b=0x804a02c 局部靜態(tài)初始化：數(shù)據(jù)段 static_local_init_b=1
&static_local_uninit_b=0x804a044 局部靜態(tài)未初始化：BSS段 static_local_uninit_b=0

　　　　　　　　　　　　　 p_chars=0x80487c8 字符串常量：只讀數(shù)據(jù)段 p_chars=abcdef
ELF 文件一般包含以下幾個段 :

.text section：主要是編譯后的源碼指令，是只讀字段。.data section ：初始化后的非const的全局變量、局部static變量。.bss：未初始化后的非const全局變量、局部static變量。.rodata字段 是存放只讀數(shù)據(jù)

　　分析到這以后，我們在和之前分析的結果對比一下，會發(fā)現(xiàn)確實存在BSS段，地址為0804a030 ，大小為0x20，之前我們的程序中未初始化的的確存放在這個地址區(qū)間中了，只不過執(zhí)行exec系統(tǒng)調用時，將這部分的數(shù)據(jù)初始化為0后，放到了進程地址空間的數(shù)據(jù)段中了，在進程地址空間中就沒有必要存在BSS段了，因此都稱做數(shù)據(jù)段。同理，.rodata字段也是與text段放在一起了。

　　在ELF文件中，找不到局部非靜態(tài)變量和動態(tài)分配的內容。

【編輯推薦】
責任編輯：彭凡 來源： CSDN博客
C程序
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