如何在运行时查看我的 C 程序的内存布局？

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【中文标题】如何在运行时查看我的 C 程序的内存布局？【英文标题】：How to see memory layout of my program in C during run-time? 【发布时间】：2016-07-31 03:11:26 【问题描述】：

我想在 C 中查看我的程序的内存布局，以便我可以在运行时了解内存的所有不同部分，例如 BSS 或 Heap 的变化？

【问题讨论】：

在任何特定平台上？ @isedev : 主要是 linux @SuryaPrakashPatel 看看 GDB。如果你想要一些视觉效果，或者使用 Ida。 如果你的程序运行了足够长的时间，你可以使用pmap PID，其中PID是进程号。 BSS 在运行时不会改变。 【参考方案1】：

在 Linux 中，对于进程 PID，请查看 /proc/PID/maps 和 /proc/PID/smaps 伪文件。 （进程本身可以使用/proc/self/maps和/proc/self/smaps。）

它们的内容记录在man 5 proc。

这是一个示例，说明如何将内容读入地址范围结构的链接列表。

mem-stats.h：

#ifndef   MEM_STATS_H
#define   MEM_STATS_H
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>

#define PERMS_READ               1U
#define PERMS_WRITE              2U
#define PERMS_EXEC               4U
#define PERMS_SHARED             8U
#define PERMS_PRIVATE           16U

typedef struct address_range address_range;
struct address_range 
    struct address_range    *next;
    void                    *start;
    size_t                   length;
    unsigned long            offset;
    dev_t                    device;
    ino_t                    inode;
    unsigned char            perms;
    char                     name[];
;

address_range *mem_stats(pid_t);
void free_mem_stats(address_range *);

#endif /* MEM_STATS_H */

mem-stats.c：

#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#define _BSD_SOURCE
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include "mem-stats.h"

void free_mem_stats(address_range *list)

    while (list) 
        address_range *curr = list;

        list = list->next;

        curr->next = NULL;
        curr->length = 0;
        curr->perms = 0U;
        curr->name[0] = '\0';

        free(curr);
    


address_range *mem_stats(pid_t pid)

    address_range *list = NULL;
    char          *line = NULL;
    size_t         size = 0;
    FILE          *maps;

    if (pid > 0) 
        char namebuf[128];
        int  namelen;

        namelen = snprintf(namebuf, sizeof namebuf, "/proc/%ld/maps", (long)pid);
        if (namelen < 12) 
            errno = EINVAL;
            return NULL;
        

        maps = fopen(namebuf, "r");
     else
        maps = fopen("/proc/self/maps", "r");

    if (!maps)
        return NULL;

    while (getline(&line, &size, maps) > 0) 
        address_range *curr;
        char           perms[8];
        unsigned int   devmajor, devminor;
        unsigned long  addr_start, addr_end, offset, inode;
        int            name_start = 0;
        int            name_end = 0;

        if (sscanf(line, "%lx-%lx %7s %lx %u:%u %lu %n%*[^\n]%n",
                         &addr_start, &addr_end, perms, &offset,
                         &devmajor, &devminor, &inode,
                         &name_start, &name_end) < 7) 
            fclose(maps);
            free(line);
            free_mem_stats(list);
            errno = EIO;
            return NULL;
        

        if (name_end <= name_start)
            name_start = name_end = 0;

        curr = malloc(sizeof (address_range) + (size_t)(name_end - name_start) + 1);
        if (!curr) 
            fclose(maps);
            free(line);
            free_mem_stats(list);
            errno = ENOMEM;
            return NULL;
        

        if (name_end > name_start)
            memcpy(curr->name, line + name_start, name_end - name_start);
        curr->name[name_end - name_start] = '\0';

        curr->start = (void *)addr_start;
        curr->length = addr_end - addr_start;
        curr->offset = offset;
        curr->device = makedev(devmajor, devminor);
        curr->inode = (ino_t)inode;

        curr->perms = 0U;
        if (strchr(perms, 'r'))
            curr->perms |= PERMS_READ;
        if (strchr(perms, 'w'))
            curr->perms |= PERMS_WRITE;
        if (strchr(perms, 'x'))
            curr->perms |= PERMS_EXEC;
        if (strchr(perms, 's'))
            curr->perms |= PERMS_SHARED;
        if (strchr(perms, 'p'))
            curr->perms |= PERMS_PRIVATE;

        curr->next = list;
        list = curr;
    

    free(line);

    if (!feof(maps) || ferror(maps)) 
        fclose(maps);
        free_mem_stats(list);
        errno = EIO;
        return NULL;
    
    if (fclose(maps)) 
        free_mem_stats(list);
        errno = EIO;
        return NULL;
    

    errno = 0;
    return list;

使用上述的示例程序，example.c：

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include "mem-stats.h"

int main(int argc, char *argv[])

    int  arg, pid;
    char dummy;

    if (argc < 2 || !strcmp(argv[1], "-h") || !strcmp(argv[1], "--help")) 
        fprintf(stderr, "\n");
        fprintf(stderr, "Usage: %s [ -h | --help ]\n", argv[0]);
        fprintf(stderr, "       %s PID\n", argv[0]);
        fprintf(stderr, "\n");
        fprintf(stderr, "You can use PID 0 as an alias for the command itself.\n");
        fprintf(stderr, "\n");
        return EXIT_SUCCESS;
    

    for (arg = 1; arg < argc; arg++)
        if (sscanf(argv[arg], " %i %c", &pid, &dummy) == 1) 
            address_range *list, *curr;

            if (!pid)
                pid = getpid();

            list = mem_stats((pid_t)pid);
            if (!list) 
                fprintf(stderr, "Cannot obtain memory usage of process %d: %s.\n", pid, strerror(errno));
                return EXIT_FAILURE;
            

            printf("Process %d:\n", pid);
            for (curr = list; curr != NULL; curr = curr->next)
                printf("\t%p .. %p: %s\n", curr->start, (void *)((char *)curr->start + curr->length), curr->name);
            printf("\n");
            fflush(stdout);

            free_mem_stats(list);

         else 
            fprintf(stderr, "%s: Invalid PID.\n", argv[arg]);
            return EXIT_FAILURE;
        

    return EXIT_SUCCESS;

还有一个 Makefile 让构建变得简单：

CC      := gcc
CFLAGS  := -Wall -Wextra -O2 -fomit-frame-pointer
LDFLAGS := 
PROGS   := example

.PHONY: all clean

all: clean $(PROGS)

clean:
    rm -f *.o $(PROGS)

%.o: %.c
    $(CC) $(CFLAGS) -c $^

example: mem-stats.o example.o
    $(CC) $(CFLAGS) $^ $(LDFLAGS) -o $@

请注意，上述 Makefile 中的三个缩进行必须使用制表符，而不是空格。似乎这里的编辑器将制表符转换为空格，因此您需要修复它，例如使用

sed -e 's|^  *|\t|' -i Makefile

如果您不修复缩进，并在 Makefile 中使用空格，您将看到类似于 *** missing separator. Stop 的错误消息。

某些编辑器会自动将 tab 按键转换为多个空格，因此您可能需要深入研究您使用的任何编辑器的编辑器设置。通常，编辑器会保持粘贴的制表符不变，因此您可以随时尝试从其他程序粘贴制表符。

要编译运行，保存以上文件并运行：

make
./example 0

打印示例程序本身使用的内存范围。如果您想查看 PulseAudio 守护程序使用的内存范围，请运行：

./example $(ps -o pid= -C pulseaudio)

请注意，标准访问限制适用。普通用户只能看到以该用户身份运行的进程的内存范围；否则您需要超级用户权限（sudo 或类似权限）。

【讨论】：

【参考方案2】：

另一种选择是 pmap 工具，它转储进程内存映射详细信息：

    pmap [ -x | -d ] [ -q ] pids...
    pmap -V

pmap 是 procps 集合的一部分。

另外，如果你对物理映射感兴趣，你可以看看 pagemap，它在最近的 Linux Kernel 中可用，让进程知道它的物理内存信息。它可能对用户空间驱动程序开发有用，因为用户空间进程需要找到缓冲区的物理地址作为 DMA 目标。

https://www.kernel.org/doc/Documentation/vm/pagemap.txt

【讨论】：

【参考方案3】：

如果您在 Linux 上使用 gcore 获取静态核心转储，它是 gdb 的一部分... 

gcore $pid > Corefile

或

gcore -o core_dump $pid

使用 gdb 调试正在运行的程序附加到它

gdb -p 1234

然后在里面闲逛。看看它是如何布局的

(gdb) maint info sections
Exec file:
    `/home/foo/program', file type elf32-i386.
 [0]     0x8048134->0x8048147 at 0x00000134: .interp ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
 [1]     0x8048148->0x8048168 at 0x00000148: .note.ABI-tag ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
 [2]     0x8048168->0x804818c at 0x00000168: .note.gnu.build-id ALLOC LOAD  
.....
.....
[23]     0x8049a40->0x8049ad1 at 0x00000a40: .data ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
[24]     0x8049ad1->0x8049ad4 at 0x00000ad1: .bss ALLOC

在寄存器中四处寻找使用

(gdb) info all-registers
eax            0xfffffdfc   -516
ecx            0x0  0
edx            0x1  1
ebx            0xffeedc28   -1123288
esp            0xffeedc0c   0xffeedc0c
ebp            0xffeedc78   0xffeedc78
esi            0x1308   4872
edi            0x45cf   17871
.... snipped

如果您想查看用于特定功能的程序集，请使用disassemble。它也可以与内存中的地址一起使用。

(gdb) disassemble main
Dump of assembler code for function main:
   0x080483f0 <+0>: lea    0x4(%esp),%ecx
   0x080483f4 <+4>: and    $0xfffffff0,%esp
   0x080483f7 <+7>: mov    $0x8048780,%edx
   0x080483fc <+12>:    pushl  -0x4(%ecx)
   0x080483ff <+15>:    push   %ebp
   0x08048400 <+16>:    mov    %esp,%ebp
   ....
   ....

【讨论】：

以上是关于如何在运行时查看我的 C 程序的内存布局？的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

一起talk C栗子吧（第一百三十一回：C语言实例--C程序内存布局三）

C程序的内存布局

一文你就懂C程序内存布局

VS查看类的内存布局

C++ 对象的内存布局（上）

C语言编程程序的内存如何布局