物聯網學習教程—Linux 可執行檔案結構與程式結構

Linux 可執行檔案結構與程式結構

一、Linux可執行檔案結構

在 Linux 下，程式是一個普通的可執行檔案，以下列出一個二進位制可執行檔案的基本情況：

 

可以看出，此可執行檔案在儲存時（沒有調入到內容）分為程式碼區（text）、資料區（data）和未初始化資料區（bss）3 個部分。各段基本內容說明如下：  

程式碼區：

存放 CPU 執行的機器指令。通常程式碼區是可共享的（即另外的執行程式可以呼叫它），使其可共享的目的是對於頻繁被執行的程式，只需要在記憶體中有一份程式碼即可。程式碼區通常是隻讀的，使其只讀的原因是防止程式意外地修改了它的指令。另外，程式碼區還規劃了區域性變數的相關資訊。

程式碼區的指令包括操作碼和操作物件（或物件地址引用）。如果是立即數（即是具體的數值），將直接包含在程式碼中，如果是區域性資料，將在執行時在棧區分配空間，然後再引用該資料的地址，如果是未初始化資料區和資料區，在程式碼中同樣將引用該資料的地址。

全域性初始化資料區/靜態資料區（資料段）：

該區包含了在程式中明確被初始化的全域性變數、已經初始化的靜態變數（包括全域性靜態變數和區域性靜態變數）和常量資料（如字串常量）。

例如，一個不在任何函式內宣告（全域性變數），如下：

int count = 100;    

使得變數 count 根據其初始值被儲存初始化資料區中。

在任意位置定義靜態變數方式如下：

static int num = 200;   

這宣告瞭一個靜態資料並初始化，如果在任意函式體外宣告，則表示其為一個靜態全域性變數，如果在函式體內（區域性），則表示其為一個區域性靜態變數。另外，如果在一個函式名前加上 static，則表示此函式只能再當前檔案中被呼叫。

 

未初始化資料區（又叫 BSS 區）：

存入的是全域性未初始化變數和未初始化靜態變數。未初始化資料區的資料在程式開始執行之前被核心初始化為 0 或者空（NULL）。

例如，一個不在任何函式內宣告的未初始化變數。  

long sum[1000];    

將 sum 儲存到未初始化資料

二、Linux程式結構

在 Linux 系統下，如果將某個可執行檔案載入到記憶體執行，則將演變成一個或多個程式（多個程式的原因是程式在執行時可以再建立新的程式，但載入時只有一個程式）。程式是 Linux 事務管理的基本單元，所有的程式均擁有自己獨立的處理環境和系統資源。程式的環境由當前系統狀態及其父程式資訊決定和組成的。

下圖為可執行檔案儲存結構和 Linux 程式基本結構（部分）的對照圖。

 

 

一個程式是一個執行著的程式段，一個程式主要包括在記憶體中申請的空間，程式碼（載入的程式，包括程式碼段，資料段，BSS），堆，棧，以及核心提供的核心程式資訊結構體 

task_struct （位置在 /usr/include/linux/sched.h）、開啟的檔案、上下文（指程式執行活動全過程的靜態描述）資訊以及掛起的訊號等。  

（1）程式碼區（text segment）。載入的是可執行檔案程式碼段，其載入到記憶體中的位置由載入器完成。

（2）全域性初始化資料區/靜態資料區（Data Segment）。載入的是可執行檔案資料段，儲存於資料段（全域性初始化，靜態初始化資料）的資料的生存週期為整個程式執行過程。

（3）未初始化資料區（BSS）。載入的是可執行檔案BSS段，位置可以分開亦可以緊靠資料段，儲存於資料段的資料（全域性未初始化，靜態未初始化資料）的生存週期為整個程式執行過程。

（4）棧區（stack）。由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值、返回值、區域性變數等。在程式執行過程中實時載入和釋放，因此，區域性變數的生存週期為申請到釋放該段棧空間。

（5）堆區（heap）。用於動態記憶體分配。堆在記憶體中位於BSS區和棧區之間。一般由程式設計師分配和釋放，若程式設計師不釋放，程式結束時有可能由OS回收。

系統之所以分成這麼多個區域，主要基於以下考慮：

程式碼段和資料段分開，執行時便於分開載入，在哈佛體系結構的處理器將取得更好得流水線效率。

程式碼時依次執行的，是由處理器 PC 指標依次讀入，而且程式碼可以被多個程式共享，資料在整個執行過程中有可能多次被呼叫，如果將程式碼和資料混合在一起將造成空間的浪費。

臨時資料以及需要再次使用的程式碼在執行時放入棧中，生命週期短，便於提高資源利用率。

堆區可以由程式設計師分配和釋放，以便使用者自由分配，提高程式的靈活性。

 

C 各儲存型別比較