為什麼需要知道C/C++的記憶體佈局和在哪可以可以找到想要的資料？知道記憶體佈局對除錯程式非常有幫助，可以知道程式執行時，到底做了什麼，有助於寫出乾淨的程式碼。本文的主要內容如下：

• 原始檔轉換為可執行檔案
• 可執行程式組成及記憶體佈局
• 資料儲存類別
• 一個例項
• 總結

原始檔轉換為可執行檔案

原始檔經過以下幾步生成可執行檔案：

• 1、預處理（preprocessor）：對#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等進行處理
• 2、編譯（compiler）：將原始碼編譯為彙編程式碼
• 3、彙編（assembler）：將彙編程式碼彙編為目的碼
• 4、連結（linker）：將目的碼連結為可執行檔案

編譯器和彙編器建立的目標檔案包含：二進位制程式碼（指令）、原始碼中的資料；連結器將多個目標檔案連結成一個；裝載器吧目標檔案載入到記憶體。

圖1 原始檔到可執行檔案的步驟

可執行程式組成及記憶體佈局

通過上面的小節，我們知道將源程式轉換為可執行程式的步驟，典型的可執行檔案分為兩部分：

• 程式碼段（Code），由機器指令組成，該部分是不可改的，編譯之後就不再改變，放置在文字段（.text）。
• 資料段（Data），它由以下幾部分組：
  •  
    • 常量（constant），通常放置在只讀read-only的文字段（.text）
    • 靜態資料（static data），初始化的放置在資料段（.data
      ）；未初始化的放置在（.bss，Block Started by Symbol，BSS段的變數只有名稱和大小卻沒有值）
    • 動態資料（dynamic data），這些資料儲存在堆（heap）或棧（stack）

源程式編譯後連結到一個以0地址為始地址的線性或多維虛擬地址空間。在Linux中，每個使用者程序都可以訪問4GB的線性虛擬記憶體空間。而且每個程序都擁有這樣一個空間，每個指令和資料都在這個虛擬地址空間擁有確定的地址，把這個地址稱為虛擬地址（Virtual Address）。將程序中的目的碼、資料等的虛擬地址組成的虛擬空間稱為虛擬儲存器（Virtual Memory）。典型的虛擬儲存器中有類似的佈局：

• Text Segment (.text)
• Initialized Data Segment (.data)
• Uninitialized Data Segment (.bss)
• The Stack
• The Heap

如下圖所示：

圖2 程序記憶體佈局

當程序被建立時，核心為其提供一塊實體記憶體，將虛擬記憶體對映到實體記憶體，這些都是由作業系統來做的。

資料儲存類別

討論C/C++中的記憶體佈局，不得不提的是資料的儲存類別！資料在記憶體中的位置取決於它的儲存類別。一個物件是記憶體的一個位置，解析這個物件依賴於兩個屬性：儲存類別、資料型別。

• 儲存類別決定物件在記憶體中的生命週期。
• 資料型別決定物件值的意義，在記憶體中佔多大空間。

C/C++中由（auto、 extern、 register、 static）儲存類別和物件宣告的上下文決定它的儲存類別。

1、自動物件（automatic objects）

auto和register將宣告的物件指定為自動儲存類別。他們的作用域是區域性的，諸如一個函式內，一個程式碼塊{***}內等。操作了作用域，物件會被銷燬。

• 在一個程式碼塊中宣告一個物件，如果沒有執行auto，那麼預設是自動儲存類別。
• 宣告為register的物件是自動儲存類別，儲存在計算機的快速暫存器中。不可以對register物件做取值操作“&”。

2、靜態物件（static objects）

靜態物件可以區域性的，也可以是全域性的。靜態物件一直保持它的值，例如進入一個函式，函式中的靜態物件仍保持上次呼叫時的值。包含靜態物件的函式不是執行緒安全的、不可重入的，正是因為它具有“記憶”功能。

• 區域性物件宣告為靜態之後，將改變它在記憶體中儲存的位置，由動態資料--->靜態資料，即從堆或棧變為資料段或bbs段。
• 全域性物件宣告為靜態之後，而不會改變它在記憶體中儲存的位置，仍然是在資料段或bbs段。但是static將改變它的作用域，即該物件僅在本原始檔有效。此相反的關鍵字是extern，使用extern修飾或者什麼都不帶的全域性物件的作用域是整個程式。

一個例項

下面我們分析一段程式碼：

程式中宣告的變數a、b、c、d、e、pi的儲存類別和生命期如下所述：

• a是一個未初始化的全域性變數，作用域為整個程式，生命期是整個程式執行期間，在記憶體的bbs段
• b是一個未初始化的靜態全域性變數，作用域為本原始檔，生命期是整個程式執行期間，在記憶體的bbs段
• c是一個未初始化的區域性變數，作用域為函式func體內，即僅在函式體內可見，生命期也是函式體內，在記憶體的棧中
• d是一個未初始化的靜態區域性變數，作用域為函式func體內，即僅在函式體內可見，生命期是整個程式執行期間，在記憶體的bbs段
• e是一個未初始化的區域性變數，作用域為函式main體內，即僅在函式體內可見，生命期是main函式內，在記憶體的棧中
• pi是一個區域性指標，指向堆中的一塊記憶體塊，該塊的大小為sizeof(int)，pi本身儲存在記憶體的棧中，生命期是main函式內
• 新申請的記憶體塊在堆中，生命期是malloc/free之間

用圖表示如下：

圖3 例子的記憶體佈局

總結

本文介紹了C/C++中由源程式到可執行檔案的步驟，和可執行程式的記憶體佈局，資料儲存類別，最後還通過一個例子來說明。可執行程式中的變數在記憶體中的佈局可以總結為如下：

• 變數（函式外）：如果未初始化，則存放在BSS段；否則存放在data段
• 變數（函式內）：如果沒有指定static修飾符，則存放在棧中；否則同上
• 常量：存放在文字段.text
• 函式引數：存放在棧或暫存器中

記憶體可以分為以下幾段：

• 文字段：包含實際要執行的程式碼（機器指令）和常量。它通常是共享的，多個例項之間共享文字段。文字段是不可修改的。
• 初始化資料段：包含程式已經初始化的全域性變數，.data。
• 未初始化資料段：包含程式未初始化的全域性變數，.bbs。該段中的變數在執行之前初始化為0或NULL。
• 棧：由系統管理，由高地址向低地址擴充套件。
• 堆：動態記憶體，由使用者管理。通過malloc/alloc/realloc、new/new[]申請空間，通過free、delete/delete[]釋放所申請的空間。由低地址想高地址擴充套件。

作者：吳秦
出處：http://www.cnblogs.com/skynet/