开点程序员面试必考题--C 程序在内存中的布局

开点工作室 · 公众号 · 程序员 · 2017-02-27 09:45

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C程序在内存中的布局与操作系统（甚至于硬件）密切相关。在32位系统中，内存空间具有4GB（2的32次方）的寻址能力，应用程序可以直接使用32位的地址进行寻址，整个内存空间是一个统一的地址空间。这样的内存方式称为平坦（flat）的内存模型。

4GB的用户空间中的一部分是给操作系统内核使用的，应用程序是无法访问这段内存的，这一部分内存地址称为内核空间。Window在默认情况下会将高地址的2GB空间分配给内核（也可配置为1GB），而Linux默认情况下将高地址的1GB空间分配给内核。用户使用剩下的2GB或3GB的内存空间称为用户空间。

在用户空间中，应用程序使用的内存空间一般还要分为不同的区域。

图1 典型的Linux地址空间分配

C程序经过编译之后将内存分为几个不同的区域，主要包括：程序代码区、栈区、堆区和全局（静态）存储区等。各个区域主要功能如下：

（1）程序代码区（只读代码段）：存放程序的可执行文件（二进制代码）在内存中的映像。由装载器在装载时将可执行文件的内存映像装入。

（2）栈（stack）：用于维护函数调用的上下文，由编译器进行管理，自动分配和释放。存放函数调用过程中的各种参数、局部变量、返回值以及函数返回地址。操作方式类似数据结构中的栈。

（3）堆（heap）：用于程序动态申请分配和释放空间。C语言中的malloc和free，C++中的new和delete均是在堆中进行的。正常情况下，程序员申请的空间在使用结束后应该释放，若程序员没有释放空间，则应用程序结束时操作系统自动回收。注意：这里的“堆”并不是数据结构中的“堆”。

（4）全局（静态）存储区（读写数据段）：分为data段和bss段。data段（全局初始化区）存放初始化的全局变量和静态变量；bss段（全局未初始化区）存放未初始化的全局变量和静态变量。程序运行结束时自动释放。其中bss段在程序执行之前会被系统自动清0，所以未初始化的全局变量和静态变量在程序执行之前已经为0。

此外，还有文字常量区：存放常量字符串。程序结束后由系统释放。动态链接库映射区：用于映射装载的动态链接库。保留区并不是一个单一的内存区域，而是对内存中受到保护而禁止访问的内存区域的总称。在大多数操作系统中，极小的地址通常都不允许访问。

【知识拓展】有兴趣进行深入研究的读者可以阅读电子工业出版社2009年出版的俞甲子、石凡和潘爱民所著的《程序员的自我修养——链接、装载与库》一书。