C++程序内存布局

C++ 程序内存布局

进程地址空间是指进程能够访问的虚拟地址范围。在大多数操作系统中（如 Linux、Windows 等），进程地址空间被划分为两个主要部分：

1. 用户态（用户区）
2. 内核态（内核区）

以 32 位 Linux 为例（3G/1G 分布）：

区域	地址范围	所属空间	说明
用户区	0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF	用户态	下面图里的部分
内核区	0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF	内核态	所有进程共享，进程无法访问

内核区是操作系统在每个进程虚拟地址空间中保留的一块地址范围，用来存放内核代码、数据、驱动程序和关键内核结构（如进程控制块PCB）。这部分地址对所有进程共享映射，但普通用户态进程无法访问，只有进入内核态时才能操作，保证系统安全和资源管理统一。

以下只讨论用户区。

内存结构图示意图

这个结构描述的是 一个 C/C++ 程序在进程中的典型虚拟内存布局（即进程地址空间结构）。这是一种逻辑视图，不是物理内存，而是操作系统为每个进程划分的虚拟地址空间。

Text Segment（代码段）

• 存储程序的编译后的机器代码（函数和方法）。
• 通常只读，以增强安全性。
• 大小随代码复杂度而变化。
• 多个相同程序的进程之间可以共享这块区域（节省内存）。

Data Segment（数据段）

存储全局变量和静态变量。位于代码段之上，分为两部分：

Initialized Data Segment（已初始化数据段）

• 存储在声明时已赋值的全局和静态变量。

int a = 50;      // 全局变量
static int b = 100;  // 静态变量

// a 和 b 存储在初始化数据段中

Uninitialized Data Segment (BSS)（未初始化数据段）

• 存储未显式初始化的全局和静态变量。
• 系统在运行时会自动初始化为 0。

int c;           // 全局变量
static int d;    // 静态变量

// c 和 d 存储在 BSS 段中

Heap Segment（堆）

• 用于程序运行时的动态内存分配。
• 由程序员手动管理：new/delete 或 malloc/free。

int* arr = new int[10]; // 分配到堆
delete[] arr;           // 释放

Stack Segment（栈）

• 用于存储：
  • 局部变量
  • 函数参数
  • 返回地址
• 每次函数调用创建一个栈帧，函数返回时栈帧被弹出。
• 栈向下增长（地址递减），与堆相反。

void foo() {
    int local = 42; // 存在栈中
    cout << local << endl;
}

int main() {
    foo();
    return 0;
}

Literal or Constant Segment（常量区）

程序中的常量，比如字符串常量、const 修饰的全局变量（有时实现上会被放入代码段）。

const int c = 100;    // 有些实现中在常量区
char* str = "hello";  // 字符串常量位于常量区

示例

#include <iostream>
using namespace std;

int global_a = 10;      // 已初始化全局变量 → Initialized Data Segment
int global_b;           // 未初始化全局变量 → BSS

const int global_c = 30; // 常量 → 可能在常量区

int main() {
    int local_var = 5;    // 局部变量 → 栈区
    static int static_var = 20; // 静态变量 → Initialized Data Segment
    int* heap_var = new int(100); // 动态分配 → 堆区

    cout << *heap_var << endl;

    delete heap_var; // 手动释放堆内存
    return 0;
}

各分区的实现细节依赖操作系统和编译器，例如：

• Windows 和 Linux 的地址布局可能不同；
• const 局部变量通常还是在栈上；
• const char* 指向的字符串常量位于常量区，但变量本身在栈上。