Linux下C程序的存储空间布局

Posted 2020-11-08 qiuri2008

在ELF格式的可执行文件中，全局内存包括三种：bss、data和rodata。其它可执行文件格式与之类似。了解了这三种数据的特点，我们才能充分发挥它们的长处，达到速度与空间的最优化。

1、bss(Block Started by Symbol)

    bss是指那些没有初始化的和初始化为0的全局变量和静态变量,bss类型的全局变量只占运行时的内存空间，而不占文件空间。

    另外，大多数操作系统，在加载程序时，会把所有的bss全局变量全部清零，无需要你手工去清零。

    但为保证程序的可移植性，手工把这些变量初始化为0也是一个好习惯。

2、data

    与bss相比，data就容易明白多了，它的名字就暗示着里面存放着数据。当然，如果数据全是零，为了优化考虑，编译器把它当作bss处理。通俗的说，data指那些初始化过（非零）的非const的全局变量和静态变量。

    由此可见，data类型的全局变量是即占文件空间，又占用运行时内存空间的。

3、rodata

    rodata的意义同样明显，ro代表read only，即只读数据(const)。只读数据段，存放常量，字符常量，const常量，据说还存放调试信息。关于rodata类型的数据，要注意以下几点：

    常量不一定就放在rodata里，有的立即数直接编码在指令里，存放在代码段(.text)中。

    对于字符串常量，编译器会自动去掉重复的字符串，保证一个字符串在一个可执行文件(EXE/SO)中只存在一份拷贝。

    rodata是在多个进程间是共享的，这可以提高空间利用率。

    在有的嵌入式系统中，rodata放在ROM(如norflash)里，运行时直接读取ROM内存，无需要加载到RAM内存中。

    在嵌入式linux系统中，通过一种叫作XIP（就地执行）的技术，也可以直接读取，而无需要加载到RAM内存中。

    由此可见，把在运行过程中不会改变的数据设为rodata类型的，是有很多好处的：在多个进程间共享，可以大大提高空间利用率，甚至不占用RAM空间。同时由于rodata在只读的内存页面(page)中，是受保护的，任何试图对它的修改都会被及时发现，这可以帮助提高程序的稳定性。

4、text

     通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

5、变量与关键字

    static关键字用途太多，以致于让新手模糊。不过，总结起来就有两种作用，改变生命期和限制作用域。如：

    修饰inline函数：限制作用域

    修饰普通函数：限制作用域

    修饰局部变量：改变生命期

    修饰全局变量：限制作用域

    const 关键字倒是比较明了，用const修饰的变量放在rodata里，字符串默认就是常量。对const，注意以下几点就行了。

    指针常量：指向的数据是常量。如 const char* p = “abc”; p指向的内容是常量 ，但p本身不是常量，你可以让p再指向”123”。

    常量指针：指针本身是常量。如：char* const p = “abc”; p本身就是常量，你不能让p再指向”123”。

    指针常量 + 常量指针：指针和指针指向的数据都是常量。const char* const p =”abc”; 两者都是常量，不能再修改。

    violatile关键字通常用来修饰多线程共享的全局变量和IO内存。告诉编译器，不要把此类变量优化到寄存器中，每次都要老老实实的从内存中读取，因为它们随时都可能变化。这个关键字可能比较生僻，但千万不要忘了它，否则一个错误让你调试好几天也得不到一点线索。

一个程序本质上都是由 BSS 段、data段、text段三个组成的。可以看到一个可执行程序在存储（没有调入内存）时分为代码段、数据区和未初始化数据区三部分。

• BSS段(未初始化数据区)：在采用段式内存管理的架构中，BSS段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。
• 数据段：在采用段式内存管理的架构中，数据段（data segment）通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。
• 代码段：在采用段式内存管理的架构中，代码段（text segment）通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域属于只读。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

程序编译后生成的目标文件至少含有这三个段，这三个段的大致结构图如下所示：

text段和data段在编译时已经分配了空间，而BSS段并不占用可执行文件的大小，它是由链接器来获取内存的。
    bss段（未进行初始化的数据）的内容并不存放在磁盘上的程序文件中。其原因是内核在程序开始运行前将它们设置为0。需要存放在程序文件中的只有正文段和初始化数据段。
    data段（已经初始化的数据）则为数据分配空间，数据保存到目标文件中。

数据段包含经过初始化的全局变量以及它们的值。BSS段的大小从可执行文件中得到，然后链接器得到这个大小的内存块，紧跟在数据段的后面。当这个内存进入程序的地址空间后全部清零。包含数据段和BSS段的整个区段此时通常称为数据区。

    可执行程序在运行时又多出两个区域：栈区和堆区。
    （4）栈区：由编译器自动释放，存放函数的参数值、局部变量等。每当一个函数被调用时，该函数的返回类型和一些调用的信息被存放到栈中。然后这个被调用的 函数再为他的自动变量和临时变量在栈上分配空间。每调用一个函数一个新的栈就会被使用。栈区是从高地址位向低地址位增长的，是一块连续的内存区域，最大容 量是由系统预先定义好的，申请的栈空间超过这个界限时会提示溢出，用户能从栈中获取的空间较小。
    （5）堆区：用于动态分配内存，位于BSS和栈中间的地址区域。由程序员申请分配和释放。堆是从低地址位向高地址位增长，采用链式存储结构。频繁的 malloc/free造成内存空间的不连续，产生碎片。当申请堆空间时库函数是按照一定的算法搜索可用的足够大的空间。因此堆的效率比栈要低的多。

下图将体现c的源文件对应存储空间：

此时程序还没有被放入内存，只是在硬盘存储的情况，此时bss并未占用空间。bss在链接的时候被获得内存空间。

下图表示程序运行，即程序在内存时的存储布局：

 

 

 

//main.c  
int a = 0; //全局初始化区  
char *p1; //全局未初始化区  
  
main()  
{  
    static int c =0； //全局（静态）初始化区  
    int b; //栈  
    char s[] = "abc"; //栈  
    char *p2; //栈  
    char *p3 = "123456"; //"123456\\0"在常量区，p3在栈上。  
    p1 = (char *)malloc(10);  
    p2 = (char *)malloc(20); //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。  
}