C语言内存分区

运行之前

编译一个C程序会经历下面几个阶段:

  • 预处理:宏定义展开,头文件展开,条件编译(#ifdef之类),不检查语法
  • 编译: 检查语法,将预处理后文件编译生成汇编文件
  • 汇编: 将汇编文件生成目标文件(二进制文件)
  • 链接: 将目标文件链接为可执行程序

在程序在还没有加载到内存中前,可执行程序内部已经分好3段信息:代码区(text)、数据区(data)、未初始化数据区(bss),有些直接把data和bss合起来叫静态区或全局区。

  • 代码区:
    存放 CPU 执行的机器指令。通常代码区是可共享的(即另外的执行程序可以调用它),使其可共享的目的是对于频繁被执行的程序,只需要在内存中有一份代码即可。代码区通常是只读的,使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令。另外,代码区还规划了局部变量的相关信息。
  • data段:
    全局初始化数据区/静态数据区:该区包含了在程序中明确被初始化的全局变量、已经初始化的静态变量(包括全局静态变)和常量数据(如字符串常量)。
  • bss区:
    存入的是全局未初始化变量和未初始化静态变量。未初始化数据区的数据在程序开始执行之前被内核初始化为 0 或者空(NULL)。

总体来讲说,程序源代码被编译之后主要分成两种段:程序指令(代码区)和程序数据(数据区)。代码段属于程序指令,而数据域段和.bss段属于程序数据。

为什么编译的程序需要把程序的指令和数据分开呢?

  • 程序被load到内存后,可以将数据和代码分别映射到两个区域,由于数据区是可读可写,指令区对程序来说是只读的,分区之后,防止程序的指令被有意或者无意修改。
  • 当系统中运行着多个同样的程序的时候,这些程序执行的指令都是一样的,所以只需要内存中保存一份程序的指令就可以了,只是每一个程序运行中数据不一样而已,这样可以节省大量的内存。比如说之前的Windows Internet Explorer 7.0运行起来之后, 它需要占用112844KB的内存,它的私有部分数据有大概15944KB,也就是说有96 900KB空间是共享的,如果程序中运行了几百个这样的进程,可以想象共享的方法可以节省大量的内存。

运行之后

程序在加载到内存前,代码区和全局区(data和bss)的大小就是固定的,程序运行期间不能改变。然后,运行可执行程序,操作系统把物理硬盘程序load(加载)到内存,除了根据可执行程序的信息分出代码区(text)、数据区(data)和未初始化数据区(bss)之外,还额外增加了栈区、堆区

  • 代码区(text segment)
    加载的是可执行文件代码段,所有的可执行代码都加载到代码区,这块内存是不可以在运行期间修改的。

  • 未初始化数据区(BSS)
    加载的是可执行文件BSS段,位置可以分开亦可以紧靠数据段,存储于数据段的数据(全局未初始化,静态未初始化数据)的生存周期为整个程序运行过程。

  • 全局初始化数据区/静态数据区(data segment)
    加载的是可执行文件数据段,存储于数据段(全局初始化,静态初始化数据,文字常量(只读))的数据的生存周期为整个程序运行过程。

  • 栈区(stack)
    栈是一种先进后出的内存结构,由编译器自动分配释放,存放函数的参数值、返回值、局部变量等。在程序运行过程中实时加载和释放,因此,局部变量的生存周期为申请到释放该段栈空间。

  • 堆区(heap)
    堆是一个大容器,它的容量要远远大于栈,但没有栈那样先进后出的顺序。用于动态内存分配。堆在内存中位于BSS区和栈区之间。一般由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收。比如malloc、free操作就是管理堆区内存。


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最后我们再来做个小结:
在理解C/C++内存分区时,常会碰到如下术语:数据区,堆,栈,静态区,常量区,全局区,字符串常量区,文字常量区,代码区等等。在这里,尝试捋清楚以上分区的关系。

  • 数据区包括:堆,栈,全局/静态存储区。
  • 全局/静态存储区包括:常量区,全局区、静态区。
  • 代码区:存放程序编译后的二进制代码,不可寻址区。
  • 常量区包括:字符串常量区、常变量区。
  • 可以说,C/C++内存分区其实只有两个,即代码区和数据区。

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