C++程序内存布局

来源：互联网发布：早期复极综合征知乎编辑：程序博客网时间：2024/05/29 14:09

转帖地址：

http://blog.csdn.net/imyfriend/article/details/8497103

对任何一个普通C++程序来讲，它都会涉及到5种不同的数据段。常用的几个数据段种包含有“程序代码段”、“程序数据段”、“程序堆栈段”等。不错，这几种数据段都在其中，但除了以上几种数据段之外，进程还另外包含两种数据段。下面我们来简单归纳一下进程对应的内存空间中所包含的5种不同的数据区。

代码段：代码段是用来存放可执行文件的操作指令，也就是说是它是可执行程序在内存种的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只准许读取操作，而不允许写入（修改）操作——它是不可写的。

数据段：数据段用来存放可执行文件中已初始化全局变量，换句话说就是存放程序静态分配的变量和全局变量。

BSS段：BSS段包含了程序中未初始化全局变量，在内存中bss段全部置零。

堆（heap）：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc/new等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）

栈：栈是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味这在数据段中存放变量）。除此以外在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也回被存放回栈中。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上将我们可以把堆栈看成一个临时数据寄存、交换的内存区。

我们要知道，栈中存放的是一个个被调函数所对应的堆栈帧，当函数fun1被调用，则fun1的堆栈帧入栈，fun1返回时，fun1的堆栈帧出栈。什么是堆栈帧呢，堆栈帧其实就是保存被调函数返回时下一条执行指令的指针、主调函数的堆栈帧的指针、主调函数传递给被调函数的实参(如果有的话)、被调函数的局部变量等信息的一个结构。

首先，我们要说明的是如何区分每个堆栈帧，或者说，如何知道我现在在使用哪个堆栈帧。和栈密切相关的有2个寄存器，一个是ebp,一个是esp,前者可以叫作栈基址指针，后者可以叫栈顶指针。对于一个堆栈帧来说，ebp也叫堆栈帧指针,它永远指向这个堆栈帧的某个固定位置(见上图)，所以可以根据ebp来表示一个堆栈帧，可以通过对ebp的偏移加减，来在堆栈帧中来来回回的访问。esp则是随着push和pop而不断移动。因此根据esp来对堆栈帧进行操作。
再来讲一下上图，一个堆栈帧的最顶部，是实参，然后是return address,这个值是由主调函数中的call命令在call调用时自动压入的，不需要我们关心，previousframe pointer,就是主调函数的堆栈帧指针，也就是主调函数的ebp值。ebp偏移为正的都是被调函数的局部变量。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

C++程序内存布局探讨（一）

刘昕重庆大学软件学院

摘要：

本文探讨了C++程序内存布局的基础知识，对堆、栈、全局数据区和代码区的概念进行了简单介绍，并介绍了内存对齐和进程地址空间（虚拟内存）方面的知识。

今天一大早起来，收到外校的同学传给我的一道C++面试题，该公司做Windows平台下的C++开发。面试题有一道考C++程序内存布局，很具有代表性。

已知有这样一段代码：

[c-sharp] view plaincopyprint?

#include <iostream>
#include <string>
using std::string;
using std::cout;
using std::endl;
int global_a = 5; //全局对象
static global_b = 6; //全局静态对象
int main()
{
int a = 5; //声明一个变量5
char b = 'a';
int c = 8;
static int d = 7;
cout<<&a<<endl;
cout<<&c<<endl;
cout<<&d<<endl;
cout<<&global_a<<endl;
cout<<&global_b<<endl;
return 0;
}

问题如下：这段代码运行后会打印出变量的地址（这个很明显），以变量a为例，编译后第一次执行和第二次执行打印出来的变量地址是否一样？如果重新编译再次运行，打印出来的变量地址会不会变化？请解释原因。

我拿这道题问了几位同学，得出的答案主要有以下两种，第一种认为三次打印出来的变量a的地址都不一样，第二种认为前两次打印出来的变量a的地址一样，第三次打印出来的变量a的地址与前两次不同。

那么实际的结果是如何呢？在VC++6.0和VS2008下分别进行实验，请看三次程序运行的截图:

图一：VC6.0下程序运行截图

图二：VC++2008下运行截图

说明了什么？首先说明了我问的几位同学都提供的是错误的答案，再就是为什么会一样呢？一样会不会导致内存冲突（貌似而且实际上也是内存地址是一样的）。要解释这两个问题，必须了解C++程序的内存模型和Windows平台下的内存管理机制。

首先看C++程序的内存模型（本文不讨论C++对象内存模型），下面是一张经典的C++内存模型图：

图三：C++程序内存布局

从上面的图示中，可以建立起对C++程序运行的一个整体认识，共分为栈、堆、全局数据区和程序代码区。文首程序中的变量a便是局部变量，所以被分配在栈区。大家回忆一下栈的知识，一个栈顶指针，栈从高地址向低地址生长，栈有大小限制。好了，问题来了,为什么三次打印出来的对象a的地址一样。

首先，在VC++6.0下，在“a=5”这行语句上加一个断点，按F5j进入调试模式，然后按ALT+8查看编译器生成的汇编代码：

图四：汇编代码

这里面ebp就是当前的栈顶地址，注意到a占用三个字节，而且答应出来的a的地址实际上是a低字节的地址（回忆下计算机组成结构的知识）。那好，在第一个数据a入栈前的栈顶指针是多少呢？计算一下0012FF7C+4=0012FF80，这个值是由编译器决定的，从上面可以看出，VC++6.0下和VC++2008下这个值是不一样的。同理，也可以计算出全局数据区的起始地址。

好的，我们再深入一下，讨论另外一个问题，内存对齐。在声明变量a之后，又接着声明了字符b（占一个字节），最后又声明了整形变量c，那么c的地址应该是多少呢？计算一下：0012FF7C-1-4=0012FF77。但是实际上打印出来的是0012FF74。为什么呢？答案就是内存对齐。

在现代计算机体系结构中，为了使CPU对变量进行高效、快速地访问，变量的地址应该具有某种特性，那就是“对齐”，对齐行为是有编译器来来实施的。如本例中对于4个字节大小的整形变量，其起始地址应该位于4个字节边界上，即能够被4整除，汇编上的黑话叫做“模四地址”。

现在我们修改一下文首的代码，将动态对象加入，注意到动态对象是在堆中分配的，增加下面几行代码：

[c-sharp] view plaincopyprint?

int * pinteger = new int(5); // 在堆上分配内存
cout<<pinteger<<endl;
int * pinteger2 = new int(5);
cout<<pinteger2<<endl;
delete pinteger;
delete pinteger2;

图五：增加了堆中的内存分配

注意到最后打印出的两个变量地址就是堆上的地址，注意到两个地址不是连续增长的。而在栈上和全局数据区分配的内存地址则是连续的。再就是注意到堆的地址在栈和全局变量区之间，这和上面所示的C++内存布局图示是一致的。

那好，问第二个问题，三个程序打印出来的变量地址一模一样，会不会发生地址冲突？答案是不会发生地址冲突，因为打印出来的地址不是变量的实际物理地址，而是虚拟地址，也叫逻辑地址。三个程序（实际上是同一个程序的三个运行实例）在操作系统中被当成三个独立的进程，彼此拥有独立的地址空间。它们之间互不影响，比如同样地址为0012FF7C的内存，在不同的进程中，它们的数据可能是完全不同的（在我们这个例子中是相同的）。在Windows操作系统中，通过虚拟内存机制，为每个进程提供了一个一致的内存视图，同时使得逻辑内存与物理内存分隔开来。虚拟内存的知识这里不再赘述，推荐《操作系统概念》一书，对虚拟内存有完整的介绍。

附录：

以下三段内容引用至李先静老师的博客，对虚拟内存的实现机制做了一个浅显易懂的介绍：

要做到进程的地址空间独立，光靠软件是难以实现的，通常还依赖于硬件的帮助。这种硬件称为MMU(Memory Manage Unit)，即所谓的内存管理单元。在这种体系结构下，内存分为物理内存和虚拟内存两种。物理内存就是实际的内存，机器上装了多大内存条就有多大的物理内存。而应用程序使用的是虚拟内存，访问内存数据时，由MMU根据页表把虚拟内存地址转换对应的物理内存地址。

MMU把各个进程的虚拟内存映射到不同的物理内存上，这样就能保证进程的虚拟内存地址是独立的。由于物理内存远远少于各个进程的虚拟内存的总和，操作系统会把暂时不用的内存数据写到磁盘上去，把腾出来的物理内存分配给有需要的进程使用。一般会创建一个专门的分区存放换出的内存数据，这个分区称为交换分区。

从虚拟内存到物理内存的映射并不是一个字节一个字节映射的，而是以一个称为页(page)最小单位的进行的。页的大小视具体硬件平台而定，通常是 4K。当应用程序访问的虚拟内存的页面不在物理内存里时，MMU产生一个缺页中断，并挂起当前进程，缺页中断处理函数负责把相应的数据从磁盘读入内存，然后唤醒挂起的进程。

==========================================================分隔线==========================================================

结合内存分布图分析内存问题

1．内存问题的原因及分类

在C/C++程序中，有关内存使用的问题是最难发现和解决的。这些问题可能导致程序莫名其妙地停止、崩溃，或者不断消耗内存直至资源耗尽。由于C/C++语言本身的特质和历史原因，程序员使用内存需要注意的事项较多，而且语言本身也不提供类似Java的垃圾清理机制。编程人员使用一定的工具来查找和调试内存相关问题是十分必要的。

总的说来，与内存有关的问题可以分成两类：内存访问错误和内存使用错误。内存访问错误包括错误地读取内存和错误地写内存。错误地读取内存可能让你的模块返回意想不到的结果，从而导致后续的模块运行异常。错误地写内存可能导致系统崩溃。内存使用方面的错误主要是指申请的内存没有正确释放，从而使程序运行逐渐减慢，直至停止。这方面的错误由于表现比较慢很难被人工察觉。程序也许运行了很久才会耗净资源，发生问题。

1.1 内存解剖

一个典型的C++内存布局如下图所示：

自底向上，内存中依次存放着只读的程序代码和数据，全局变量和静态变量，堆中的动态申请变量和堆栈中的自动变量。自动变量就是在函数内声明的局部变量。当函数被调用时，它们被压入栈；当函数返回时，它们就要被弹出堆栈。堆栈的使用基本上由系统控制，用户一般不会直接对其进行控制，所以堆栈的使用还是相对安全的。动态内存是一柄双刃剑：它可以提供程序员更灵活的内存使用方法，而且有些算法没有动态内存会很难实现；但是动态内存往往是内存问题存在的沃土。

1.2 内存访问错误

相对用户使用的语言，动态内存的申请一般由malloc/new来完成，释放由free/delete完成。基本的原则可以总结为：一对一，不混用。也就是说一个malloc必须对应一且唯一的free；new对应一且唯一的delete; malloc不能和delete, new不能和free对应。另外在C++中要注意delete和delete[]的区别。delete用来释放单元变量，delete[]用来释放数组等集聚变量。有关这方面的详细信息可以参考[C++Adv]。

我们可以将内存访问错误大致分成以下几类：数组越界读或写、访问未初始化内存、访问已经释放的内存和重复释放内存或释放非法内存。

下面的代码集中显示了上述问题的典型例子：

1   #include <iostream>        2   using namespace std;        3   int main(){        4      char* str1="four";        5      char* str2=new char[4]; //not enough space        6      char* str3=str2;        7      cout<<str2<<endl; //UMR        8      strcpy(str2,str1); //ABW        9      cout<<str2<<endl;  //ABR        10     delete str2;        11     str2[0]+=2; //FMR and FMW        12     delete str3; //FFM        13   }

由以上的程序，我们可以看到：在第5行分配内存时，忽略了字符串终止符"\0"所占空间导致了第8行的数组越界写（Array Bounds Write）和第9行的数组越界读（Array Bounds Read）; 在第7行，打印尚未赋值的str2将产生访问未初始化内存错误（Uninitialized Memory Read）;在第11行使用已经释放的变量将导致释放内存读和写错误(Freed Memory Read and Freed Memory Write)；最后由于str3和str2所指的是同一片内存，第12行又一次释放了已经被释放的空间 (Free Freed Memory)。

这个包含许多错误的程序可以编译连接，而且可以在很多平台上运行。但是这些错误就像定时炸弹，会在特殊配置下触发，造成不可预见的错误。这就是内存错误难以发现的一个主要原因。

1.3 内存使用错误

内存使用错误主要是指内存泄漏，也就是指申请的动态内存没有被正确地释放，或者是没有指针可以访问这些内存。这些小的被人遗忘的内存块占据了一定的地址空间。当系统压力增大时，这些越来越多的小块将最终导致系统内存耗尽。内存使用错误比内存访问错误更加难以发现。这主要有两点原因：第一，内存使用错误是"慢性病"，它的症状可能不会在少数、短时间的运行中体现；第二，内存使用错误是因为"不做为"（忘记释放内存）而不是"做错"造成的。这样由于忽略造成的错误在检查局部代码时很难发现，尤其是当系统相当复杂的时候。