程序的内存布局

概览

当一个 C++ 程序被操作系统加载到内存后，操作系统会为它分配一个独立的虚拟地址空间。这样做的好处是：每个进程都拥有彼此隔离的运行环境，不会直接干扰其他进程的内存，既保证了安全性，也方便操作系统进行内存管理和调度。

在这个虚拟地址空间中，不同的内存区域有着各自的职责，就像一座工厂里不同的车间专门负责不同的生产任务。下表总结了这些区域的结构、作用及它们为何这么设计（以 32 位或简化的 64 位模型为例）：

区域	说明	特点	设计原因	增长方向
代码段 (.text)	存放程序的机器指令	只读，可共享，防止被意外修改	保障代码安全性和多进程共享效率	固定
已初始化数据段 (.data)	存放已初始化的全局/静态变量	可读写	提前分配并初始化，方便快速访问	固定
未初始化数据段 (.bss)	存放未初始化的全局/静态变量，启动时清零	可读写	节省可执行文件大小，启动时由系统统一清零	固定
堆 (Heap)	动态分配内存（new / malloc）	程序员手动分配与释放，易内存泄漏	提供灵活的内存分配能力，满足运行时变化需求	向高地址增长
内存映射区	动态库、文件映射、共享内存等	灵活，可按需加载	支持动态加载功能和高效的文件/进程间通信	不固定
栈 (Stack)	函数调用帧、局部变量、参数、返回地址	系统自动管理，空间有限，可能栈溢出	提供快速的内存分配与释放机制，保证调用有序	向低地址增长

Linux进程下的虚拟地址空间结构

Linux下进程的虚拟地址空间结构

内存布局与ELF文件结构的对应关系

ELF文件与内存中的部分区域映射关系如下：

• ELF文件的.text节区 → 内存中的代码段(.text)
• ELF文件的.data节区 → 内存中的已初始化数据段(.data)
• ELF文件的.bss节区 → 内存中的未初始化数据段(.bss)
• ELF文件的其他节区（如.rodata、.symtab等）也会被映射到内存的相应区域

这种映射关系是由操作系统的装载器(Loader)根据ELF文件头(ELF Header)和程序头表(Program Header)中的信息完成的。程序头表中描述了每个段的类型、大小、偏移量和在内存中的地址等信息，装载器根据这些信息将ELF文件的各个部分加载到内存的对应位置。

内存区域详细介绍

总结

程序的内存布局是在加载过程中由操作系统的装载器确定的，具体过程如下：

1. 创建虚拟地址空间：操作系统为进程分配一个独立的虚拟地址空间。
2. 解析ELF文件：装载器读取ELF文件头，获取程序的入口点地址、程序头表和节区头表的位置等信息。
3. 映射代码和数据：根据程序头表中的信息，装载器将ELF文件的代码段（.text）、数据段（.data）和BSS段（.bss）映射到虚拟地址空间的对应位置。
4. 分配堆和栈空间：装载器在虚拟地址空间中为堆和栈分配内存区域。堆通常位于数据段的上方，栈则位于用户空间的顶部。
5. 加载动态库：如果程序依赖于动态库，装载器会将动态库加载到内存映射区，并更新程序中的符号引用。
6. 初始化：最后，装载器调用C++运行时库（CRT）完成全局变量和静态变量的初始化，然后跳转到程序的入口点（通常是main函数）开始执行。

通过这个过程，ELF文件中的各个节区被映射到内存中的对应区域，形成了我们所看到的程序内存布局。