Linux下C程序進程地址空間布局

我們在學習C程序開發時經常會遇到一些概念：代碼段、數據段、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環境高級編程》一書），顯示了進程地址空間中典型的存儲區域分配情況。

從圖中可以看出：

從低地址到高地址分別為：代碼段、（初始化）數據段、（未初始化）數據段（BSS）、堆、棧、命令行參數和環境變數堆向高內存地址生長棧向低內存地址生長

還經常看到下面這個圖（來源，不詳）：

先看一段程序。

#include 　  
#include 　  
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; /*上面全部為全局變數，main函數中的為局部變數*/　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(" &global_init_a=%p    
global_init_a=%d ",&global_init_a,global_init_a); 
printf(" &global_uninit_a=%p   
global_uninit_a=%d ",&global_uninit_a,global_uninit_a); 　
　printf(" &static_global_init_a=%p   
static_global_init_a=%d ",&static_global_init_a,static_global_init_a); 　
　printf("&static_global_uninit_a=%p 
static_global_uninit_a=%d ",&static_global_uninit_a,static_global_uninit_a); 
printf(" &const_global_a=%p   
const_global_a=%d ",&const_global_a,const_global_a); 　
　printf(" &global_init_b=%p   
global_init_b=%d ",&global_init_b,global_init_b); 　
　printf(" &global_uninit_b=%p   
global_uninit_b=%d ",&global_uninit_b,global_uninit_b); 
　printf(" &static_global_init_b=%p 　
　static_global_init_b=%d ",&static_global_init_b,static_global_init_b); 
printf("&static_global_uninit_b=%p 
static_global_uninit_b=%d ",&static_global_uninit_b,static_global_uninit_b); 　
　printf(" &const_global_b=%p   
const_global_b=%d ",&const_global_b,const_global_b);   
printf(" &local_init_a=%p   
local_init_a=%d ",&local_init_a,local_init_a);   
printf(" &local_uninit_a=%p   
local_uninit_a=%d ",&local_uninit_a,local_uninit_a); 　
　printf(" &static_local_init_a=%p 
static_local_init_a=%d ",&static_local_init_a,static_local_init_a);   
printf(" &static_local_uninit_a=%p 
static_local_uninit_a=%d ",&static_local_uninit_a,static_local_uninit_a); 　
　printf(" &const_local_a=%p   
const_local_a=%d ",&const_local_a,const_local_a);   
printf(" &local_init_b=%p   
local_init_b=%d ",&local_init_b,local_init_b);   
printf(" &local_uninit_b=%p   
local_uninit_b=%d ",&local_uninit_b,local_uninit_b); 
printf(" &static_local_init_b=%p   
static_local_init_b=%d ",&static_local_init_b,static_local_init_b); 　  
　printf(" &static_local_uninit_b=%p 
static_local_uninit_b=%d ",&static_local_uninit_b,static_local_uninit_b); 　
　printf(" &const_local_b=%p 　  
　const_local_b=%d ",&const_local_b,const_local_b); 　
　printf(" malloc_p_a=%p   
*malloc_p_a=%d ",malloc_p_a,*malloc_p_a);   
return 0; 

下面是輸出結果。

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

接下來，通過查看proc文件系統下的文件，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，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。

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域的分配情況。

#cat /proc/2699/maps

上面紅顏色標出的幾個區間是我們感興趣的區間：

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 貌似為數據段08a7e000-08a9f000 rw-p 堆bff73000-bff88000 rw-p 棧

我們把這些數據與最後一次的程序運行結果進行比較，看看有什麼結論。

&global_init_a=0x804a018 全局初始化：數據段 global_init_a=1
&global_uninit_a=0x804a04c 全局未初始化：數據段 global_uninit_a=0
&static_global_init_a=0x804a01c 全局靜態初始化：數據段 static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038 全局靜態未初始化：數據段 static_global_uninit_a=0
&const_global_a=0x80487c0 全局只讀變數： 代碼段 const_global_a=1

&global_init_b=0x804a020 全局初始化：數據段 global_init_b=1
&global_uninit_b=0x804a048 全局未初始化：數據段 global_uninit_b=0
&static_global_init_b=0x804a024 全局靜態初始化：數據段 static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c 全局靜態未初始化：數據段 static_global_uninit_b=0
&const_global_b=0x80487c4 全局只讀變數： 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 局部靜態初始化：數據段 static_local_init_a=1
&static_local_uninit_a=0x804a040 局部靜態未初始化：數據段 static_local_uninit_a=0
&const_local_a=0xbff86004 局部只讀變數：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 局部靜態初始化：數據段 static_local_init_b=1
&static_local_uninit_b=0x804a044 局部靜態未初始化：數據段 static_local_uninit_b=0
&const_local_b=0xbff85ff8 局部只讀變數：棧 const_local_b=1

p_chars=0x80487c8 字元串常量：代碼段 p_chars=abcdef
malloc_p_a=0x8a7e008 malloc動態分配：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：

數據段中存放：全局變數（初始化以及未初始化的）、靜態變數（全局的和局部的、初始化的以及未初始化的）代碼段中存放：全局只讀變數（const）、字元串常量堆中存放：動態分配的區域棧中存放：局部變數（初始化以及未初始化的，但不包含靜態變數）、局部只讀變數（const）

這裡我們沒有發現BSS段，但是我們將未初始化的數據按照地址進行排序看一下，可以發現一個規律。

&global_init_a=0x804a018 全局初始化：數據段 global_init_a=1
&static_global_init_a=0x804a01c 全局靜態初始化：數據段 static_global_init_a=1
&global_init_b=0x804a020 全局初始化：數據段 global_init_b=1
&static_global_init_b=0x804a024 全局靜態初始化：數據段 static_global_init_b=1
&static_local_init_a=0x804a028 局部靜態初始化：數據段 static_local_init_a=1
&static_local_init_b=0x804a02c 局部靜態初始化：數據段 static_local_init_b=1

&static_global_uninit_a=0x804a038 全局靜態未初始化：數據段 static_global_uninit_a=0
&static_global_uninit_b=0x804a03c 全局靜態未初始化：數據段 static_global_uninit_b=0
&static_local_uninit_a=0x804a040 局部靜態未初始化：數據段 static_local_uninit_a=0
&static_local_uninit_b=0x804a044 局部靜態未初始化：數據段 static_local_uninit_b=0
&global_uninit_b=0x804a048 全局未初始化：數據段 global_uninit_b=0
&global_uninit_a=0x804a04c 全局未初始化：數據段 global_uninit_a=0

這裡可以發現，初始化的和未初始化的數據好像是分開存放的，因此我們可以猜測BSS段是存在的，只不過數據段是分為初始化和未初始化（即BSS段）的兩部分，他們在載入到進程地址空間時是合併為數據段了，在進程地址空間中沒有單獨分為一個區域。

還有一個問題，靜態數據與非靜態數據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系統的可執行文件都採用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》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　

將這裡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：數據段 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 全局靜態初始化：數據段 static_global_init_a=1
&static_global_uninit_a=0x804a038 全局靜態未初始化：BSS段 static_global_uninit_a=0
&const_global_a=0x80487c0 全局只讀變數： 只讀數據段 const_global_a=1

&global_init_b=0x804a020 全局初始化：數據段 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 全局靜態初始化：數據段 static_global_init_b=1
&static_global_uninit_b=0x804a03c 全局靜態未初始化：BSS段 static_global_uninit_b=0
&const_global_b=0x80487c4 全局只讀變數： 只讀數據段 const_global_b=1

&static_local_init_a=0x804a028 局部靜態初始化：數據段 static_local_init_a=1
&static_local_uninit_a=0x804a040 局部靜態未初始化：BSS段 static_local_uninit_a=0

&static_local_init_b=0x804a02c 局部靜態初始化：數據段 static_local_init_b=1
&static_local_uninit_b=0x804a044 局部靜態未初始化：BSS段 static_local_uninit_b=0

p_chars=0x80487c8 字元串常量：只讀數據段 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，是只讀欄位。.data section ：初始化后的非const的全局變數、局部static變數。.bss：未初始化后的非const全局變數、局部static變數。.rodata欄位 是存放只讀數據

分析到這以後，我們在和之前分析的結果對比一下，會發現確實存在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間中了，只不過執行exec系統調用時，將這部分的數據初始化為0后，放到了進程地址空間的數據段中了，在進程地址空間中就沒有必要存在BSS段了，因此都稱做數據段。同理，.rodata欄位也是與text段放在一起了。

在ELF文件中，找不到局部非靜態變數和動態分配的內容。