c程序内存模型

Posted 2021-01-30 caidi

这篇文章主要记录一下c程序运行时内存空间如何使用。（摘抄自网络）

 

在一个多任务操作系统中的每个进程都运行在它自己的内存“沙箱”中。这个沙箱是一个虚拟地址空间（virtual address space），在 32 位系统中它总共有 4GB 的内存地址空间，包含内核空间和用户空间：

这些虚拟地址是通过内核页表（page table）映射到物理地址的，并由操作系统内核维护。在典型的Linux 中，内核/用户空间的划分比例为1：3。但是，这并不意味着内核就使用了1G物理内存，它只使用了很少一部分可用的地址空间映射到其所需要的物理内存。内核空间的页表被标记，因此，如果一个用户模式的程序尝试去访问它，将触发一个页面故障错误。

在 Linux 中，内核空间是始终存在的，并且在所有进程中都映射相同的物理内存。内核代码和数据总是可寻址的，准备随时去处理中断或者系统调用。相比之下，用户模式中的地址空间，在每次进程切换时都会发生变化：

 

一个 Linux 进程的标准段布局如下：

1. 在进程地址空间中最高的段是栈，存储函数参数和本地变量。调用一个方法或者函数将推送一个新的栈帧stack frame到这个栈。当函数返回时这个栈帧被删除。进程中的每个线程都有它自己的栈。如果向栈中压入过多数据，可能会导致栈空间被耗尽，这将触发一个页面故障，系统会调用相关函数来

   检查栈的增长是否正常。如果栈的大小低于 RLIMIT_STACK 的值（一般是 8MB 大小），那么这是一个正常的栈增长，否则可能是发生了未知问题。这是一个栈大小按需调节的常见机制。但是，栈的大小达到了上述限制，将会发生一个栈溢出，并且，程序将会收到一个段故障Segmentation Fault错误。当映射的栈区为满足需要而扩展后，在栈缩小时，映射区域并不会收缩。访问任何未映射的内存区域都是非法的，并将触发一个页面故障，导致段故障。但

   动态栈增长是唯一例外的情况，当它去访问一个未映射的内存区域是允许的。

2. 在栈的下面，有内存映射段。在这里，内核将文件内容直接映射到内存。任何应用程序都可以通过 Linux 的 mmap() 系统调用来请求一个映射，内存映射是实现文件 I/O 的高效的方式。因此，它经常被用于加载动态库。有时候，也被用于去创建一个匿名内存映射，这种映射经常被用做程序数据的替代。在 Linux 中，如果你通过 malloc() 去请求一个大的内存块，C 库将会创建这样一个匿名映射而不是使用堆内存。这里所谓的“大”表示是超过了MMAP_THRESHOLD 设置的字节数，它的缺省值是 128 kB，可以通过mallopt()去调整这个设置值。

3. 内存映射段下面是堆，堆提供运行时内存分配，它分配的数据生存期要长于分配它的函数。大多数编程语言都为程序提供了堆管理支持，在 C 中，堆分配的接口是 malloc() 一族。

   如果在堆中有足够的空间可以满足内存请求，它可以由编程语言运行时来处理内存分配请求，而无需内核参与。否则将通过 brk() 系统调用来扩大堆以满足内存请求所需的大小。堆管理比较复杂，在面对我们程序的混乱分配模式时，它通过复杂的算法，努力在速度和内存使用效率之间取得一种平衡。堆也会出现碎片化 

4. 堆下面是BSS段，在 C 中，BSS 保存未初始化的全局变量、静态变量的内容，它的值在源代码中并没有被程序员设置。

5. 接下来是数据段，用于保存在源代码中已初始化的全局变量、静态变量的内容。这个内存区域是非匿名的。它映射了程序的二进值镜像上的一部分，即在源代码中给定初始化值的全局变量、静态变量内容。

6. 最后一部分就是代码段，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。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。

 

最后关于变量保存位置：

1、经过初始化的全局变量和静态变量保存在数据段中。
2、未经初始化的全局变量和静态变量保存在BSS段。
3、函数内部声明的局部变量保存在堆栈段中。
4、const修饰的全局变量保存在文本段中，const修饰的局部变量保存在堆栈段中。
5、字符串常量保存在文本段中。