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。

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):

  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/*上面全部为全局变量,main函数中的为局部变量*/ 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;   

下面是输出结果:

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。

使用ps命令查看一下进程的pid

  1. #ps -aux | grep a.out  

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。

  1. #cat /proc/2699/maps  

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):

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:

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:

  1. # readelf -S a.out   

  • &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0×20,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。

参考原文:http://developer.51cto.com/art/201110/299468.htm

Unix/Linux下C程序进程地址空间布局分析

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.