Linux下程序运行时内存状态及相应查看工具

浏览数：20 / 时间：2015年06月20日

最近在解决一个编译问题时，一直在考虑一个问题，那就是Linux下可执行程序运行时内存是什么状态，是按照什么方式分配内存并运行的。查看了一下资料，就此总结一下，众所周知，linux下内存管理是通过虚存管理的，在分配内存是并非在物理内存开辟了一段空间，而是在使用时才分配的，而且是通过段页式管理。以上比较废话，开始看看程序运行时内存会是什么状态。

在linux下内存分配是以页为单位的，而页是通过段管理，各个段之间是独立的，方便管理。linux程序运行时，可以分为以下几个内存段：

一、BSS段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。

该段用于存储未初始化的全局变量或者是默认初始化为0的全局变量，它不占用程序文件的大小，但是占用程序运行时的内存空间。

#define DEBUG "debug"

int space[1024][1024];

int main()
{
  char *a = DEBUG;
  return 1;
}

上面声明了一个space的二维数组，是一个全局变量，没有被初始化，通过nm命令可以查看程序中的符号信息如下：

0000000000600660 d _DYNAMIC
00000000006007f8 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
0000000000400578 R _IO_stdin_used
                 w _Jv_RegisterClasses
0000000000600640 d __CTOR_END__
0000000000600638 d __CTOR_LIST__
0000000000600650 D __DTOR_END__
0000000000600648 d __DTOR_LIST__
0000000000400630 r __FRAME_END__
0000000000600658 d __JCR_END__
0000000000600658 d __JCR_LIST__
000000000060081c A __bss_start
0000000000600818 D __data_start
0000000000400530 t __do_global_ctors_aux
00000000004003e0 t __do_global_dtors_aux
0000000000400580 R __dso_handle
                 w __gmon_start__
0000000000600634 d __init_array_end
0000000000600634 d __init_array_start
0000000000400490 T __libc_csu_fini
00000000004004a0 T __libc_csu_init
                 U __libc_start_main@@GLIBC_2.2.5
000000000060081c A _edata
0000000000a00840 A _end
0000000000400568 T _fini
0000000000400358 T _init
0000000000400390 T _start
00000000004003bc t call_gmon_start
0000000000600820 b completed.6347
0000000000600818 W data_start
0000000000600828 b dtor_idx.6349
0000000000400450 t frame_dummy
0000000000400474 T main
0000000000600840 B space

最后一行的B表示是BSS段，也就表示space是存在于BSS段中的。

二、data段该段用于存储初始化的全局变量，初始化为0的全局变量出于编译优化的策略还是被保存在BSS段，对上面的程序做一下更改就可以看到是如何分配的了。

#define DEBUG "debug"

int space[1024][1024];
int data = 1;
int no_data = 0;

int main()
{
  char *a = DEBUG;
  return 1;
}

使用nm查看后

0000000000600660 d _DYNAMIC
00000000006007f8 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
0000000000400578 R _IO_stdin_used
                 w _Jv_RegisterClasses
0000000000600640 d __CTOR_END__
0000000000600638 d __CTOR_LIST__
0000000000600650 D __DTOR_END__
0000000000600648 d __DTOR_LIST__
0000000000400630 r __FRAME_END__
0000000000600658 d __JCR_END__
0000000000600658 d __JCR_LIST__
0000000000600820 A __bss_start
0000000000600818 D __data_start
0000000000400530 t __do_global_ctors_aux
00000000004003e0 t __do_global_dtors_aux
0000000000400580 R __dso_handle
                 w __gmon_start__
0000000000600634 d __init_array_end
0000000000600634 d __init_array_start
0000000000400490 T __libc_csu_fini
00000000004004a0 T __libc_csu_init
                 U __libc_start_main@@GLIBC_2.2.5
0000000000600820 A _edata
0000000000a00840 A _end
0000000000400568 T _fini
0000000000400358 T _init
0000000000400390 T _start
00000000004003bc t call_gmon_start
0000000000600820 b completed.6347
000000000060081c D data
0000000000600818 W data_start
0000000000600828 b dtor_idx.6349
0000000000400450 t frame_dummy
0000000000400474 T main
0000000000600830 B no_data
0000000000600840 B space

可以看到变量data被分配在data段，而被初始化为0的no_data被分配在了BSS段。

三、.rodata段

该段也叫常量区，用于存放常量数据，ro就是Read Only之意。但是注意并不是所有的常量都是放在常量数据段的，其特殊情况如下：
1）有些立即数与指令编译在一起直接放在代码段。

int main()
{
  int a = 10;
  return 1;
}

a是常量，但是它没有被放入常量区，而是在指令中直接通过立即数赋值

2）对于字符串常量，编译器会去掉重复的常量，让程序的每个字符串常量只有一份。

char *str = "123456789";
char *str1 = "helloworld";

int main()
{
  char* a = "helloworld";
  char b[10] = "helloworld";
  return 1;
}

汇编代码如下：

                .file   "hello.c"
.globl str
        .section        .rodata
.LC0:
        .string "123456789"
        .data
        .align 8
        .type   str, @object
        .size   str, 8
str:
        .quad   .LC0
.globl str1
        .section        .rodata
.LC1:
        .string "helloworld"
        .data
        .align 8
        .type   str1, @object
        .size   str1, 8
str1:
        .quad   .LC1
        .text
.globl main
        .type   main, @function
main:
.LFB0:
        .cfi_startproc
        pushq   %rbp
        .cfi_def_cfa_offset 16
        .cfi_offset 6, -16
        movq    %rsp, %rbp
        .cfi_def_cfa_register 6
        movq    $.LC1, -8(%rbp)
        movl    $1819043176, -32(%rbp)
        movl    $1919907695, -28(%rbp)
        movw    $25708, -24(%rbp)
        movl    $1, %eax
        leave
        .cfi_def_cfa 7, 8
        ret
        .cfi_endproc
.LFE0:
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (GNU) 4.4.6 20110731 (Red Hat 4.4.6-3)"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

可以看到str1和a同时指向.rodata段中同一个LC1，而是用数组初始化的字符串常量是没有放入常量区的，另外用const修饰的全局变量是放入常量区的，但是使用cons修饰的局部变量只是设置为只读起到防止修改的效果，没有放入常量区。

3）有些系统中rodata段是多个进程共享的，目的是为了提高空间的利用率。

四、text段

text段是用于存放程序代码的，编译时确定,只读。更进一步讲是存放处理器的机器指令，当各个源文件单独编译之后生成目标文件，经连接器链接各个目标文件并解决各个源文件之间函数的引用，与此同时，还得将所有目标文件中的.text段合在一起，但不是简单的将它们“堆”在一起就完事，还需要处理各个段之间的函数引用问题。

五、stack段

也就是栈段，常说的堆栈段之一，是由系统负责申请释放，其操作方式类似stack，用于存储参数变量及局部变量，其实函数的执行也是stack的方式，所以才有了递归

六、heap段

也就是俗称的堆，它由用户申请和释放，申请时至少分配虚存，当真正存储数据时才分配相应的实存，释放时也并非立即释放实存，而是可能被重复利用，待后续会再仔细介绍相关的知识。