程式執行時的記憶體空間分佈

我們在寫程式時，既有程式的邏輯程式碼，也有在程式中定義的變數等資料，那麼當我們的程式進行時，我們的程式碼和資料究竟是存放在哪裡的呢？下面就來總結一下。

一、程式執行時的記憶體空間情況

其實在程式執行時，由於記憶體的管理方式是以頁為單位的，而且程式使用的地址都是虛擬地址，當程式要使用記憶體時，作業系統再把虛擬地址對映到真實的實體記憶體的地址上。所以在程式中，以虛擬地址來看，資料或程式碼是一塊塊地存在於記憶體中的，通常我們稱其為一個段。而且程式碼和資料是分開存放的，即不儲存於同於一個段中，而且各種資料也是分開存放在不同的段中的。

下面以一個簡單的程式來看一下在Linux下的程式執行空間情況，程式碼檔名為space.c

這個程式非常簡單，輸出當前程式的程式號，然後進入一個死迴圈，這個死迴圈的目的只是讓程式不退出。而在Linux下有一個目錄/proc/$(pid)，這個目錄儲存了程式號為pid的程式執行時的所有資訊，其中有一個檔案maps，它記錄了程式執行過程中的記憶體空間的情況。編譯執行上面的程式碼，其執行結果如圖1所示：

從上面的圖中，我們可以看到這樣一個簡單的程式，在執行時，需要哪些庫和哪些空間。上面的圖的各列的意思，不一一詳述，只對重要的進行說明。

第一列的是一個段的起始地址和結束地址，第二列這個段的許可權，第三列段的段內相對偏移量，第六列是這個段所存放的內容所對應的檔案。從上圖可以看到我們的程式進行首先要載入系統的兩個共享庫，然後再載入我們寫的程式的程式碼。

對於第二列的許可權，r：表示可讀，w：表示可寫，x：表示可執行，p：表示受保護（即只對本程式有效，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式進行時的記憶體分佈情況。下面我們將會結合上圖，進行更加深入的對記憶體中的資料段的解說。

二、程式執行時記憶體的各種資料段

1.bss 段

該段用來存放沒有被初始化或初始化為0的全域性變數，因為是全域性變數，所以在程式執行的整個生命週期內都存在於記憶體中。有趣的是這個段中的變數只佔用程式執行時的記憶體空間，而不佔用程式檔案的儲存空間。可以用以下程式來說明這點，檔名為bss.c

這個程式非常簡單，定義一個4M的全域性變數，然後返回。編譯成可執行檔案bss，並檢視可執行檔案的檔案屬性如圖2所示：

從可執行檔案的大小4774B可以看出，bss資料段（4M）並不佔用程式檔案的儲存空間，在下面的data段中，我們可以看到data段的資料是佔用可執行檔案的儲存空間的。

在圖1中，有檔名且屬性為rw-p的記憶體區間，就是bss段。

2.data段

初始化過的全域性變數資料段，該段用來儲存初始化了的非0的全域性變數，如果全域性變數初始化為0，則編譯有時會出於優化的考慮，將其放在bss段中。因為也是全域性變數，所以在程式執行的整個生命週期內都存在於記憶體中。與bss段不同的是，data段中的變數既佔程式執行時的記憶體空間，也佔程式檔案的儲存空間。可以用下面的程式來說明，檔名為data.c：

這個程式與上面的bss唯一的不同就是全域性變數int型陣列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預設的0，而因為陣列的地址是連續的，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。編譯連線成可執行檔案data，並檢視可執行檔案的檔案屬性如圖3所示：

從可執行檔案的大小來看，data段資料（data_data陣列的大小，4M）佔用程式檔案的儲存空間。

在圖1中，有檔名且屬性為rw-p的記憶體區間，就是data段，它與bss段在記憶體中是共用一段記憶體的，不同的是，bss段資料不佔用檔案，而data段資料佔用檔案儲存空間。

3.rodata段

該段是常量資料段，用於存放常量資料，ro就是Read Only之意。但是注意並不是所有的常量都是放在常量資料段的，其特殊情況如下：

1）有些立即數與指令編譯在一起直接放在程式碼段（text段，下面會講到）中。
2）對於字串常量，編譯器會去掉重複的常量，讓程式的每個字串常量只有一份。
3）有些系統中rodata段是多個程式共享的，目的是為了提高空間的利用率。

在圖1中，有檔名的屬性為r–p的記憶體區間就是rodata段。可見他是受保護的，只能被讀取，從而提高程式的穩定性。

4.text段

text段就是程式碼段，用來存放程式的程式碼（如函式）和部分整數常量。它與rodata段的主要不同是，text段是可以執行的，而且不被不同的程式共享。

在圖1中，有檔名且屬性為r-xp的記憶體區間就是text段。就如我們所知道的那樣，程式碼段是不能被寫的。

5.stack段

該段就是棧段，用來儲存臨時變數和函式引數。程式中的函式呼叫就是以棧的方式來實現的，通常棧是向下（即向低地址）增長的，當向棧中push一個元素，棧頂指標就會向低地址移動，當從棧中pop一個元素，棧頂指標就會向高地址移動。棧中的資料只在當前函式或下一層函式中有效，當函式返回時，這些資料自動被釋放，如果繼續對這些資料進行訪問，將發生未知的錯誤。通常我們在程式中定義的不是用malloc系統函式或new出來的變數，都是存放在棧中的。例如，如下函式：

整型變數a，整型指標變數n_ptr和char型指標變數c_ptr，都存放在棧段中，而n_ptr和c_ptr指向的變數，由於是malloc或new出來的，所以存放在堆中。當函式func返回時，a、n_ptr、c_ptr都會被釋放，但是n_ptr和c_ptr指向的記憶體卻不會釋放。因為它們是存在於堆中的資料。

在圖1中，檔名為stack的記憶體區間即為棧段。

6.heap 段

heap（堆）是最自由的一種記憶體，它完全由程式來負責記憶體的管理，包括什麼時候申請，什麼時候釋放，而且對它的使用也沒有什麼大小的限制。在C/C++中，用alloc系統函式和new申請的記憶體都存在於heap段中。

以上面的程式為例，它向堆申請了一個int和一個char的記憶體，因為沒有呼叫free或delete，所以當函式返回時，堆中的int和char變數並沒有釋放，造成了記憶體洩漏。

由於在圖1所對應的程式碼中沒有使用alloc系統函式或new來申請記憶體，所以heap段並沒有在圖1中顯示出來，所以以下面的程式來說明heap段的位置，程式碼檔案為heap.c，程式碼如下：

檢視其執行時記憶體空間分佈如下：

可以看到檔名為heap的記憶體區間就是heap段。從上圖，也可以看出，雖然我們只申請4個位元組（sizeof(int))的空間，但是在作業系統中，記憶體是以頁的方式進行管理的，所以在分配heap記憶體時，還是一次分配就為我們分配了一個頁的記憶體。注：無論是圖1，還是上圖，都有一些沒有檔名的記憶體區間，其實沒用檔名的記憶體區間表示使用mmap對映的匿名空間。