其實(shí)在程序運(yùn)行時，由于內(nèi)存的管理方式是以頁為單位的，而且程序使用的地址都是虛擬地址，當(dāng)程序要使用內(nèi)存時，操作系統(tǒng)再把虛擬地址映射到真實(shí)的物理內(nèi)存的地址上。所以在程序中，以虛擬地址來看，數(shù)據(jù)或代碼是一塊塊地存在于內(nèi)存中的，通常我們稱其為一個段。而且代碼和數(shù)據(jù)是分開存放的，即不儲存于同于一個段中，而且各種數(shù)據(jù)也是分開存放在不同的段中的。
下面以一個簡單的程序來看一下在Linux下的程序運(yùn)行空間情況，代碼文件名為space.c
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main() { printf("%d\n", getpid()); while(1); return 0; } |
這個程序非常簡單，輸出當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程號，然后進(jìn)入一個死循環(huán)，這個死循環(huán)的目的只是讓程序不退出。而在Linux下有一個目錄/proc/$(pid)，這個目錄保存了進(jìn)程號為pid的進(jìn)程運(yùn)行時的所有信息，其中有一個文件maps，它記錄了程序執(zhí)行過程中的內(nèi)存空間的情況。編譯運(yùn)行上面的代碼，其運(yùn)行結(jié)果如圖1所示：
第一列的是一個段的起始地址和結(jié)束地址，第二列這個段的權(quán)限，第三列段的段內(nèi)相對偏移量，第六列是這個段所存放的內(nèi)容所對應(yīng)的文件。從上圖可以看到我們的程序進(jìn)行首先要加載系統(tǒng)的兩個共享庫，然后再加載我們寫的程序的代碼。
對于第二列的權(quán)限，r：表示可讀，w：表示可寫，x：表示可執(zhí)行，p：表示受保護(hù)（即只對本進(jìn)程有效，不共享），與之相對的是s，意是就是共享。
從上圖我們可以非常形象地看到一個程序進(jìn)行時的內(nèi)存分布情況。下面我們將會結(jié)合上圖，進(jìn)行更加深入的對內(nèi)存中的數(shù)據(jù)段的解說。
該段用來存放沒有被初始化或初始化為0的全局變量，因?yàn)槭侨肿兞浚栽诔绦蜻\(yùn)行的整個生命周期內(nèi)都存在于內(nèi)存中。有趣的是這個段中的變量只占用程序運(yùn)行時的內(nèi)存空間，而不占用程序文件的儲存空間?？梢杂靡韵鲁绦騺碚f明這點(diǎn)，文件名為bss.c
| 1 2 3 4 5 6 7 8 | #include <stdio.h> int bss_data[1024 * 1024]; int main() { return 0; } |
這個程序非常簡單，定義一個4M的全局變量，然后返回。編譯成可執(zhí)行文件bss，并查看可執(zhí)行文件的文件屬性如圖2所示：
從可執(zhí)行文件的大小4774B可以看出，bss數(shù)據(jù)段（4M）并不占用程序文件的儲存空間，在下面的data段中，我們可以看到data段的數(shù)據(jù)是占用可執(zhí)行文件的儲存空間的。
在圖1中，有文件名且屬性為rw-p的內(nèi)存區(qū)間，就是bss段。
初始化過的全局變量數(shù)據(jù)段，該段用來保存初始化了的非0的全局變量，如果全局變量初始化為0，則編譯有時會出于優(yōu)化的考慮，將其放在bss段中。因?yàn)橐彩侨肿兞浚栽诔绦蜻\(yùn)行的整個生命周期內(nèi)都存在于內(nèi)存中。與bss段不同的是，data段中的變量既占程序運(yùn)行時的內(nèi)存空間，也占程序文件的儲存空間?？梢杂孟旅娴某绦騺碚f明，文件名為data.c：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 | #include <stdio.h> int data_data[1024 * 1024] = {1}; int main() { return 0; } |
這個程序與上面的bss唯一的不同就是全局變量int型數(shù)組data_data，其中第0個元素的值初始化為1，其他元素的值初始化成默認(rèn)的0，而因?yàn)閿?shù)組的地址是連續(xù)的，所以只要有一個元素在data段中，則其他的元素也必然在data段中。編譯連接成可執(zhí)行文件data，并查看可執(zhí)行文件的文件屬性如圖3所示：
從可執(zhí)行文件的大小來看，data段數(shù)據(jù)（data_data數(shù)組的大小，4M）占用程序文件的儲存空間。
在圖1中，有文件名且屬性為rw-p的內(nèi)存區(qū)間，就是data段，它與bss段在內(nèi)存中是共用一段內(nèi)存的，不同的是，bss段數(shù)據(jù)不占用文件，而data段數(shù)據(jù)占用文件儲存空間。
該段是常量數(shù)據(jù)段，用于存放常量數(shù)據(jù)，ro就是Read Only之意。但是注意并不是所有的常量都是放在常量數(shù)據(jù)段的，其特殊情況如下：
1）有些立即數(shù)與指令編譯在一起直接放在代碼段（text段，下面會講到）中。
2）對于字符串常量，編譯器會去掉重復(fù)的常量，讓程序的每個字符串常量只有一份。
3）有些系統(tǒng)中rodata段是多個進(jìn)程共享的，目的是為了提高空間的利用率。
在圖1中，有文件名的屬性為r–p的內(nèi)存區(qū)間就是rodata段。可見他是受保護(hù)的，只能被讀取，從而提高程序的穩(wěn)定性。
text段就是代碼段，用來存放程序的代碼（如函數(shù)）和部分整數(shù)常量。它與rodata段的主要不同是，text段是可以執(zhí)行的，而且不被不同的進(jìn)程共享。
在圖1中，有文件名且屬性為r-xp的內(nèi)存區(qū)間就是text段。就如我們所知道的那樣，代碼段是不能被寫的。
該段就是棧段，用來保存臨時變量和函數(shù)參數(shù)。程序中的函數(shù)調(diào)用就是以棧的方式來實(shí)現(xiàn)的，通常棧是向下（即向低地址）增長的，當(dāng)向棧中push一個元素，棧頂指針就會向低地址移動，當(dāng)從棧中pop一個元素，棧頂指針就會向高地址移動。棧中的數(shù)據(jù)只在當(dāng)前函數(shù)或下一層函數(shù)中有效，當(dāng)函數(shù)返回時，這些數(shù)據(jù)自動被釋放，如果繼續(xù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，將發(fā)生未知的錯誤。通常我們在程序中定義的不是用malloc系統(tǒng)函數(shù)或new出來的變量，都是存放在棧中的。例如，如下函數(shù)：
| 1 2 3 4 5 6 | void func（） { int a = 0; int *n_ptr = malloc(sizeof(int)); char *c_ptr = new char; } |
整型變量a，整型指針變量n_ptr和char型指針變量c_ptr，都存放在棧段中，而n_ptr和c_ptr指向的變量，由于是malloc或new出來的，所以存放在堆中。當(dāng)函數(shù)func返回時，a、n_ptr、c_ptr都會被釋放，但是n_ptr和c_ptr指向的內(nèi)存卻不會釋放。因?yàn)樗鼈兪谴嬖谟诙阎械臄?shù)據(jù)。
在圖1中，文件名為stack的內(nèi)存區(qū)間即為棧段。
heap（堆）是最自由的一種內(nèi)存，它完全由程序來負(fù)責(zé)內(nèi)存的管理，包括什么時候申請，什么時候釋放，而且對它的使用也沒有什么大小的限制。在C/C++中，用alloc系統(tǒng)函數(shù)和new申請的內(nèi)存都存在于heap段中。
以上面的程序?yàn)槔?，它向堆申請了一個int和一個char的內(nèi)存，因?yàn)闆]有調(diào)用free或delete，所以當(dāng)函數(shù)返回時，堆中的int和char變量并沒有釋放，造成了內(nèi)存泄漏。
由于在圖1所對應(yīng)的代碼中沒有使用alloc系統(tǒng)函數(shù)或new來申請內(nèi)存，所以heap段并沒有在圖1中顯示出來，所以以下面的程序來說明heap段的位置，代碼文件為heap.c，代碼如下：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> int main() { int *n_ptr = malloc(sizeof(int)); printf("%d\n", getpid()); while(1); free(n_ptr); return 0; } |
查看其運(yùn)行時內(nèi)存空間分布如下：
可以看到文件名為heap的內(nèi)存區(qū)間就是heap段。從上圖，也可以看出，雖然我們只申請4個字節(jié)（sizeof(int))的空間，但是在操作系統(tǒng)中，內(nèi)存是以頁的方式進(jìn)行管理的，所以在分配heap內(nèi)存時，還是一次分配就為我們分配了一個頁的內(nèi)存。注：無論是圖1，還是上圖，都有一些沒有文件名的內(nèi)存區(qū)間，其實(shí)沒用文件名的內(nèi)存區(qū)間表示使用mmap映射的匿名空間。
聯(lián)系客服
