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C++ 数据语义学——进程内存空间布局

进程内存空间布局

      • 1. 栈(堆栈/栈区)
      • 2. 堆(堆区)
      • 3. BSS段
      • 4. 数据段
      • 5. 代码段
      • 进程内存空间布局示意图
      • 可执行文件的内存布局
      • 示例代码

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 newmalloc 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。

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