C++ 数据语义学——进程内存空间布局

当把一个可执行文件加载到内存后，就变成了一个进程。这个虚拟空间（内存）大概分成以下几部分：

1. 栈（堆栈/栈区）

• 描述：栈区用于存放局部变量、函数参数、返回地址等。栈是由高地址向低地址增长的。
• 特点：栈的内存分配是由编译器自动完成的，速度较快，但分配的内存空间较小。

2. 堆（堆区）

• 描述：堆区用于动态分配内存，如通过 new、malloc 等函数申请的内存空间。堆是由低地址向高地址增长的。
• 特点：堆的内存分配由程序员手动管理，灵活性高，但容易产生内存泄漏和碎片化问题。

3. BSS段

• 描述：BSS段用于存放未初始化的全局变量和静态变量，以及初始化为0的全局变量和静态变量。
• 特点：BSS段在程序加载时会被操作系统清零，因此这些变量在程序开始执行时默认值为0。

4. 数据段

• 描述：数据段用于存放已初始化的全局变量和静态变量。
• 特点：数据段在程序加载时会被操作系统初始化为指定的值。

5. 代码段

• 描述：代码段用于存放程序的执行代码，即编译后的机器指令。
• 特点：代码段通常是只读的，以防止程序意外修改指令。代码段可以被多个进程共享。

进程内存空间布局示意图

+--------------------+ 高地址
|      栈区(Stack)   |
|--------------------|
|      堆区(Heap)    |
|--------------------|
|  BSS段(BSS Segment)|
|--------------------  |
|  数据段(Data Segment)|
|--------------------|
|  代码段(Code Segment)|
+--------------------+ 低地址

可执行文件的内存布局

在可执行文件没有加载到内存时，它的布局也分为多个部分，如数据段、BSS段等。以下是一个典型的可执行文件的内存布局：

1. 代码段：存放程序的机器指令。
2. 数据段：存放已初始化的全局变量和静态变量。
3. BSS段：存放未初始化的全局变量和静态变量。
4. 符号表：存放符号信息，如变量名、函数名等，用于调试和链接。
5. 字符串表：存放字符串常量。

示例代码

以下是一个简单的示例代码，展示了不同内存区域的变量：

#include <iostream>
#include <cstdlib>// 全局变量
int global_var = 10; // 数据段
int uninitialized_global_var; // BSS段int main() {// 局部变量int local_var = 20; // 栈区// 动态分配内存int* heap_var = (int*)malloc(sizeof(int)); // 堆区*heap_var = 30;std::cout << "Address of code (main): " << (void*)main << std::endl;std::cout << "Address of global_var: " << &global_var << std::endl;std::cout << "Address of uninitialized_global_var: " << &uninitialized_global_var << std::endl;std::cout << "Address of local_var: " << &local_var << std::endl;std::cout << "Address of heap_var: " << heap_var << std::endl;free(heap_var); // 释放动态分配的内存return 0;
}

运行结果（地址可能因系统和编译器不同而有所不同）：

Address of code (main): 0x401560
Address of global_var: 0x404010
Address of uninitialized_global_var: 0x408030
Address of local_var: 0x71fe44
Address of heap_var: 0x1c0068e0

在上面的代码中：

• global_var 是一个全局变量，存储在数据段。
• uninitialized_global_var 是一个未初始化的全局变量，存储在 BSS 段。
• local_var 是一个局部变量，存储在栈区。
• heap_var 是通过 malloc 动态分配的内存，存储在堆区。
• main 函数的地址代表了代码段。

通过这个示例，可以看到不同类型的变量在内存中的地址分布，帮助理解进程内存空间的布局。