C程序的内存布局
理解C程序的内存布局非常重要。这篇文章将说明C程序的内存布局，并通过一些工具和程序来验证它们。
内存布局是与平台相关的，这篇文章的测试的环境为：
- Ubuntu 20.04 64位
- gcc version 9.3.0
文章目录
预备知识
在开始之前，需要了解objdump工具的基本使用，如果你已经非常熟悉它们，请跳过这部分。
我们将用到objdump -t <objfile>命令，它将打印objfile的符号表，下面是它的输出格式之一：
00000000 l d .bss 00000000 .bss
00000000 g .text 00000000 fred
- 第1个字段是符号的值
- 第2个字段是字符和空格的集合，它们标识设置在符号上的标志位（第1行的这个字段为
l d） - 第3个字段是与符号关联的段（section）
- 第4个字段对于普通的符号是对齐，对于其他符号是大小
- 第5个字段是符号名
在这篇文章中我们只需要关心第3个和第5个字段，我们还需要关心第3个字段的以下值：
- .text表示文本段（text segment）
- .data表示读写数据段（data segment）
- .rodata表示只读数据段（read-only data segment）
- .bss表示未初始化的数据段（block started by symbol）
关于objdump工具更详细的解释，请参考objdump(1)。
典型的C程序内存布局
一个典型的C程序由5个部分组成，如下图所示：
上面的图片来源于网络。
下面从低地址到高地址依次解释。
1. 文本段
文本段（text segment），也被叫做代码段（code segment），它包含了可执行的指令。
通常文本段是被共享的，并且它是只读的，从而避免里面的指令被意外修改。
2. 初始化的数据段
初始化的数据段（initialized data segment）通常叫做数据段（data segment），它包含了被初始化的全局变量和静态变量（准确来说是初始化为非0值且非const的变量）。
数据段其实由两部分组成：只读数据区（read-only area）和读写数据区（read-write area）。
3. 未初始化的数据段
未初始化的数据段（uninitialized data segment），通常叫做BSS段。它包含了被初始化为0或未被显式初始化的全局变量和静态变量。
4. 堆
堆区通常是动态内存分配发生的地方。
堆区通常朝高地址的方向增长。
5. 栈
栈区通常是自动变量存放的地方。
栈区通常与堆区连接，并向相反方向增长。当栈指针遇到堆指针时，表明可用的内存已耗尽。
堆区通常朝0地址的方向增长。
验证
简单的测试程序
下面是一个简单的测试程序，它从低地址到高地址输出内存布局信息：
#include <malloc.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
// .text
void func1() {}
void func2() {}
// .rodata
const int cgi0 = 0x00;
const int cgi1 = 0x01;
// .data
int gi1 = 0x01;
// .bss
int gi0 = 0x00;
int gu;
int main(int argc, char* argv[]) {
printf("------------ Text segment(.text) ------------\n");
printf("func1: %p\n", &func1);
printf("func2: %p\n", &func2);
printf("------------ Initialized data segment(.rodata) ------------\n");
// .rodata
static const int cli0 = 0x00;
static const int cli1 = 0x01;
printf("cgi1: %p\n", &cgi1);
printf("cgi0: %p\n", &cgi0);
printf("cli0: %p\n", &cli0);
printf("cli1: %p\n", &cli1);
printf("------------ Initialized data segment(.data) ------------\n");
// .data
static int li1 = 0x01;
printf("gi1: %p\n", &gi1);
printf("li1: %p\n", &li1);
printf("------------ Uninitialized data segment(.bss) ------------\n");
// .bss
static int li0 = 0x00;
static int lu;
printf("gi0: %p\n", &gi0);
printf("li0: %p\n", &li0);
printf("lu: %p\n", &lu);
printf("gu: %p\n", &gu);
printf("------------ Heap ------------\n");
int* var_s1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* var_s2 = (int*)malloc(sizeof(int));
// Ensure malloc() is successful
if (var_s1 && var_s2) {
printf("*var_h1: %p\n", &(*var_s1));
printf("*var_h2: %p\n", &(*var_s2));
} else {
printf("malloc() error!\n");
}
printf("------------ Stack ------------\n");
printf("var_s1: %p\n", &var_s1);
printf("var_s2: %p\n", &var_s2);
return 0;
}
可能的输出：
------------ Text segment(.text) ------------
func1: 0x55f2fbd451a9
func2: 0x55f2fbd451b4
------------ Initialized data segment(.rodata) ------------
cgi1: 0x55f2fbd4600c
cgi0: 0x55f2fbd46008
cli0: 0x55f2fbd4621c
cli1: 0x55f2fbd46220
------------ Initialized data segment(.data) ------------
gi1: 0x55f2fbd48010
li1: 0x55f2fbd48014
------------ Uninitialized data segment(.bss) ------------
gi0: 0x55f2fbd4801c
li0: 0x55f2fbd48020
lu: 0x55f2fbd48024
gu: 0x55f2fbd48028
------------ Heap ------------
*var_h1: 0x55f2fdaab6b0
*var_h2: 0x55f2fdaab6d0
------------ Stack ------------
var_s1: 0x7ffddf88bd58
var_s2: 0x7ffddf88bd60
通过objdump验证
func1和func2放在文本段：
ocfbnj@ubuntu-server:~$ objdump -t ./memory_layout | grep -E 'func1|func2'
00000000000011a9 g F .text 000000000000000b func1
00000000000011b4 g F .text 000000000000000b func2
cgi1、cgi0、cli0和cli1放在只读数据段：
ocfbnj@ubuntu-server:~$ objdump -t ./memory_layout | grep -E 'cgi1|cgi0|cli0|cli1'
000000000000221c l O .rodata 0000000000000004 cli0.2578
0000000000002220 l O .rodata 0000000000000004 cli1.2579
0000000000002008 g O .rodata 0000000000000004 cgi0
000000000000200c g O .rodata 0000000000000004 cgi1
gi1和li1放在读写数据段：
ocfbnj@ubuntu-server:~$ objdump -t ./memory_layout | grep -E '\<gi1|\<li1'
0000000000004014 l O .data 0000000000000004 li1.2580
0000000000004010 g O .data 0000000000000004 gi1
gi0、gu、li0和lu放在BSS段：
ocfbnj@ubuntu-server:~$ objdump -t ./memory_layout | grep -E '\<gi0|gu|\<li0|lu'
0000000000004020 l O .bss 0000000000000004 li0.2581
0000000000004024 l O .bss 0000000000000004 lu.2582
0000000000004028 g O .bss 0000000000000004 gu
000000000000401c g O .bss 0000000000000004 gi0
参考
objdump(1)
Memory Layout of C Programs - GeeksforGeeks