在多任務操作系統中，每個進程都運行在屬於自己的內存沙盤中。這個沙盤就是虛擬地址空間(Virtual Address Space)，在32位模式下它是一個4GB的內存地址塊。在Linux系統中, 內核進程和用戶進程所占的虛擬內存比例是1:3，而Windows系統為2:2(通過設置Large-Address-Aware Executables標誌也可為1:3)。這並不意味著內核使用那麽多物理內存，僅表示它可支配這部分地址空間，根據需要將其映射到物理內存。

虛擬地址通過頁表(Page Table)映射到物理內存，頁表由操作系統維護並被處理器引用。內核空間在頁表中擁有較高特權級，因此用戶態程序試圖訪問這些頁時會導致一個頁錯誤(page fault)。在Linux中，內核空間是持續存在的，並且在所有進程中都映射到同樣的物理內存。內核代碼和數據總是可尋址，隨時準備處理中斷和系統調用。與此相反，用戶模式地址空間的映射隨進程切換的發生而不斷變化。

Linux進程在虛擬內存中的標準內存段布局如下圖所示：

其中，用戶地址空間中的藍色條帶對應於映射到物理內存的不同內存段，灰白區域表示未映射的部分。這些段只是簡單的內存地址範圍，與Intel處理器的段沒有關系。

上圖中Random stack offset和Random mmap offset等隨機值意在防止惡意程序。Linux通過對棧、內存映射段、堆的起始地址加上隨機偏移量來打亂布局，以免惡意程序通過計算訪問棧、庫函數等地址。execve(2)負責為進程代碼段和數據段建立映射，真正將代碼段和數據段的內容讀入內存是由系統的缺頁異常處理程序按需完成的。另外，execve(2)還會將BSS段清零。

用戶進程部分分段存儲內容如下表所示(按地址遞減順序)：

在將應用程序加載到內存空間執行時，操作系統負責代碼段、數據段和BSS段的加載，並在內存中為這些段分配空間。棧也由操作系統分配和管理；堆由程序員自己管理，即顯式地申請和釋放空間。

BSS段、數據段和代碼段是可執行程序編譯時的分段，運行時還需要棧和堆。

以下詳細介紹各個分段的含義。

1 內核空間

內核總是駐留在內存中，是操作系統的一部分。內核空間為內核保留，不允許應用程序讀寫該區域的內容或直接調用內核代碼定義的函數。

2 棧(stack)

棧又稱堆棧，由編譯器自動分配釋放，行為類似數據結構中的棧(先進後出)。堆棧主要有三個用途：

• 為函數內部聲明的非靜態局部變量(C語言中稱“自動變量”)提供存儲空間。
• 記錄函數調用過程相關的維護性信息，稱為棧幀(Stack Frame)或過程活動記錄(Procedure Activation Record)。它包括函數返回地址，不適合裝入寄存器的函數參數及一些寄存器值的保存。除遞歸調用外，堆棧並非必需。因為編譯時可獲知局部變量，參數和返回地址所需空間，並將其分配於BSS段。
• 臨時存儲區，用於暫存長算術表達式部分計算結果或alloca()函數分配的棧內內存。

持續地重用棧空間有助於使活躍的棧內存保持在CPU緩存中，從而加速訪問。進程中的每個線程都有屬於自己的棧。向棧中不斷壓入數據時，若超出其容量就會耗盡棧對應的內存區域，從而觸發一個頁錯誤。此時若棧的大小低於堆棧最大值RLIMIT_STACK(通常是8M)，則棧會動態增長，程序繼續運行。映射的棧區擴展到所需大小後，不再收縮。

Linux中ulimit -s命令可查看和設置堆棧最大值，當程序使用的堆棧超過該值時, 發生棧溢出(Stack Overflow)，程序收到一個段錯誤(Segmentation Fault)。註意，調高堆棧容量可能會增加內存開銷和啟動時間。

堆棧既可向下增長(向內存低地址)也可向上增長, 這依賴於具體的實現。本文所述堆棧向下增長。

堆棧的大小在運行時由內核動態調整。

3 內存映射段(mmap)

此處，內核將硬盤文件的內容直接映射到內存, 任何應用程序都可通過Linux的mmap()系統調用或Windows的CreateFileMapping()/MapViewOfFile()請求這種映射。內存映射是一種方便高效的文件I/O方式， 因而被用於裝載動態共享庫。用戶也可創建匿名內存映射，該映射沒有對應的文件, 可用於存放程序數據。在 Linux中，若通過malloc()請求一大塊內存，C運行庫將創建一個匿名內存映射，而不使用堆內存。”大塊” 意味著比閾值 MMAP_THRESHOLD還大，缺省為128KB，可通過mallopt()調整。

該區域用於映射可執行文件用到的動態鏈接庫。在Linux 2.4版本中，若可執行文件依賴共享庫，則系統會為這些動態庫在從0x40000000開始的地址分配相應空間，並在程序裝載時將其載入到該空間。在Linux 2.6內核中，共享庫的起始地址被往上移動至更靠近棧區的位置。

從進程地址空間的布局可以看到，在有共享庫的情況下，留給堆的可用空間還有兩處：一處是從.bss段到0x40000000，約不到1GB的空間；另一處是從共享庫到棧之間的空間，約不到2GB。這兩塊空間大小取決於棧、共享庫的大小和數量。這樣來看，是否應用程序可申請的最大堆空間只有2GB？事實上，這與Linux內核版本有關。在上面給出的進程地址空間經典布局圖中，共享庫的裝載地址為0x40000000，這實際上是Linux kernel 2.6版本之前的情況了，在2.6版本裏，共享庫的裝載地址已經被挪到靠近棧的位置，即位於0xBFxxxxxx附近，因此，此時的堆範圍就不會被共享庫分割成2個“碎片”，故kernel 2.6的32位Linux系統中，malloc申請的最大內存理論值在2.9GB左右。

4 堆(heap)

堆用於存放進程運行時動態分配的內存段，可動態擴張或縮減。堆中內容是匿名的，不能按名字直接訪問，只能通過指針間接訪問。當進程調用malloc(C)/new(C++)等函數分配內存時，新分配的內存動態添加到堆上(擴張)；當調用free(C)/delete(C++)等函數釋放內存時，被釋放的內存從堆中剔除(縮減) 。

分配的堆內存是經過字節對齊的空間，以適合原子操作。堆管理器通過鏈表管理每個申請的內存，由於堆申請和釋放是無序的，最終會產生內存碎片。堆內存一般由應用程序分配釋放，回收的內存可供重新使用。若程序員不釋放，程序結束時操作系統可能會自動回收。

堆的末端由break指針標識，當堆管理器需要更多內存時，可通過系統調用brk()和sbrk()來移動break指針以擴張堆，一般由系統自動調用。

使用堆時經常出現兩種問題：1) 釋放或改寫仍在使用的內存(“內存破壞”)；2)未釋放不再使用的內存(“內存泄漏”)。當釋放次數少於申請次數時，可能已造成內存泄漏。泄漏的內存往往比忘記釋放的數據結構更大，因為所分配的內存通常會圓整為下個大於申請數量的2的冪次(如申請212B，會圓整為256B)。

註意，堆不同於數據結構中的”堆”，其行為類似鏈表。

5 BSS段

BSS(Block Started by Symbol)段中通常存放程序中以下符號：

• 未初始化的全局變量和靜態局部變量
• 初始值為0的全局變量和靜態局部變量(依賴於編譯器實現)
• 未定義且初值不為0的符號(該初值即common block的大小)

C語言中，未顯式初始化的靜態分配變量被初始化為0(算術類型)或空指針(指針類型)。由於程序加載時，BSS會被操作系統清零，所以未賦初值或初值為0的全局變量都在BSS中。BSS段僅為未初始化的靜態分配變量預留位置，在目標文件中並不占據空間，這樣可減少目標文件體積。但程序運行時需為變量分配內存空間，故目標文件必須記錄所有未初始化的靜態分配變量大小總和(通過start_bss和end_bss地址寫入機器代碼)。當加載器(loader)加載程序時，將為BSS段分配的內存初始化為0。在嵌入式軟件中，進入main()函數之前BSS段被C運行時系統映射到初始化為全零的內存(效率較高)。

註意，盡管均放置於BSS段，但初值為0的全局變量是強符號，而未初始化的全局變量是弱符號。若其他地方已定義同名的強符號(初值可能非0)，則弱符號與之鏈接時不會引起重定義錯誤，但運行時的初值可能並非期望值(會被強符號覆蓋)。因此，定義全局變量時，若只有本文件使用，則盡量使用static關鍵字修飾；否則需要為全局變量定義賦初值(哪怕0值)，保證該變量為強符號，以便鏈接時發現變量名沖突，而不是被未知值覆蓋。

某些編譯器將未初始化的全局變量保存在common段，鏈接時再將其放入BSS段。在編譯階段可通過-fno-common選項來禁止將未初始化的全局變量放入common段。

此外，由於目標文件不含BSS段，故程序燒入存儲器(Flash)後BSS段地址空間內容未知。U-Boot啟動過程中，將U-Boot的Stage2代碼(通常位於lib_xxxx/board.c文件)搬遷(拷貝)到SDRAM空間後必須人為添加清零BSS段的代碼，而不可依賴於Stage2代碼中變量定義時賦0值。

6 數據段(Data)

數據段通常用於存放程序中已初始化且初值不為0的全局變量和靜態局部變量。數據段屬於靜態內存分配(靜態存儲區)，可讀可寫。

數據段保存在目標文件中(在嵌入式系統裏一般固化在鏡像文件中)，其內容由程序初始化。例如，對於全局變量int gVar = 10，必須在目標文件數據段中保存10這個數據，然後在程序加載時復制到相應的內存。

數據段與BSS段的區別如下：

1) BSS段不占用物理文件尺寸，但占用內存空間；數據段占用物理文件，也占用內存空間。

對於大型數組如int ar0[10000] = {1, 2, 3, ...}和int ar1[10000]，ar1放在BSS段，只記錄共有10000*4個字節需要初始化為0，而不是像ar0那樣記錄每個數據1、2、3...，此時BSS為目標文件所節省的磁盤空間相當可觀。

2) 當程序讀取數據段的數據時，系統會出發缺頁故障，從而分配相應的物理內存；當程序讀取BSS段的數據時，內核會將其轉到一個全零頁面，不會發生缺頁故障，也不會為其分配相應的物理內存。

運行時數據段和BSS段的整個區段通常稱為數據區。某些資料中“數據段”指代數據段 + BSS段 + 堆。

7 代碼段(text)

代碼段也稱正文段或文本段，通常用於存放程序執行代碼(即CPU執行的機器指令)。一般C語言執行語句都編譯成機器代碼保存在代碼段。通常代碼段是可共享的，因此頻繁執行的程序只需要在內存中擁有一份拷貝即可。代碼段通常屬於只讀，以防止其他程序意外地修改其指令(對該段的寫操作將導致段錯誤)。某些架構也允許代碼段為可寫，即允許修改程序。

代碼段指令根據程序設計流程依次執行，對於順序指令，只會執行一次(每個進程)；若有反復，則需使用跳轉指令；若進行遞歸，則需要借助棧來實現。

代碼段指令中包括操作碼和操作對象(或對象地址引用)。若操作對象是立即數(具體數值)，將直接包含在代碼中；若是局部數據，將在棧區分配空間，然後引用該數據地址；若位於BSS段和數據段，同樣引用該數據地址。

代碼段最容易受優化措施影響。

8 保留區

位於虛擬地址空間的最低部分，未賦予物理地址。任何對它的引用都是非法的，用於捕捉使用空指針和小整型值指針引用內存的異常情況。

它並不是一個單一的內存區域，而是對地址空間中受到操作系統保護而禁止用戶進程訪問的地址區域的總稱。大多數操作系統中，極小的地址通常都是不允許訪問的，如NULL。C語言將無效指針賦值為0也是出於這種考慮，因為0地址上正常情況下不會存放有效的可訪問數據。

在32位X86架構的Linux系統中，用戶進程可執行程序一般從虛擬地址空間0x08048000開始加載。該加載地址由ELF文件頭決定，可通過自定義鏈接器腳本覆蓋鏈接器默認配置，進而修改加載地址。0x08048000以下的地址空間通常由C動態鏈接庫、動態加載器ld.so和內核VDSO(內核提供的虛擬共享庫)等占用。通過使用mmap系統調用，可訪問0x08048000以下的地址空間。

通過cat /proc/self/maps命令查看加載表如下：

Linux虛擬地址空間布局