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内核编程十：进程的虚拟地址空间

news 来源：原创 2025/5/2 6:07:09

请思考当以下这个经典的hello world代码，调入内存并且在cpu上运行变成一个进程的时候，代码中的各个数据在内存中是如何进行分布的

#include <stdio.h>

int main() {
	printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

进程内存布局

进程在内存中的数据分布通常分为多个段（Segment），每个段负责存储不同类型的数据。进程使用的是虚拟空间的地址，这些段在虚拟地址空间中是连续的，但实际物理内存可能分散或不连续。以下是典型的进程内存布局：

1. 代码段（Text Segment）

内容：存储程序的机器指令（即编译后的代码）。
特性：只读，不可修改，多个进程可共享同一代码段。

2. 数据段（Data Segment）

内容：存储全局变量和静态变量。
分类：
- 已初始化数据段：存储显式初始化的全局和静态变量。
- 未初始化数据段（BSS段）：存储未初始化的全局和静态变量，程序加载时初始化为零。

3. 堆（Heap）

内容：动态分配的内存（如malloc、new等）。
特性：手动管理，大小不固定，向高地址增长。

4. 栈（Stack）

内容：存储局部变量、函数参数、返回地址等。
特性：自动管理，大小有限，向低地址增长。

5. 共享库（Shared Libraries）

内容：存储动态链接库的代码和数据。
特性：多个进程可共享，减少内存占用。

6. 环境变量和命令行参数

内容：存储环境变量和命令行参数。
位置：通常位于栈的上方。

7. 内存映射区（Memory Mapped Region）

内容：用于内存映射文件或匿名映射。
特性：允许文件直接映射到内存，便于高效访问。

典型内存布局（从低到高地址）

+---------------------------+ 高地址
| 环境变量和命令行参数     	|
+---------------------------+
| 栈（Stack）                | <--- 向低地址增长
|			|				|
|			|				|
|			v				|
+---------------------------+
| 内存映射区                  |
+---------------------------+
| 共享库                     |
+---------------------------+
|			^				|
|			|				|
|			|				|
| 堆（Heap）                 | <--- 向高地址增长
+---------------------------+
| 未初始化数据段（BSS）     	|
+---------------------------+
| 已初始化数据段（Data）    	|
+---------------------------+
| 代码段（Text）            	|
+---------------------------+ 低地址

Hello world在内存中的分布

#include <stdio.h>

int main() {
	int i = 42;
    printf("Hello, World!\n");
	printf("int i = %d\n", i);
    return 0;
}

+---------------------------+ 高地址
| 环境变量和命令行参数      	|
+---------------------------+
| 栈（Stack）              	| <--- 向低地址增长
|   - main函数的栈帧         	|
|   - 局部变量 int i = 42   	|
|   - printf的参数           |
|     - "Hello, World!\n"   |
|     - "int i = %d\n", i   |
+---------------------------+
| 共享库（Shared Libraries） 	|
|   - printf的实现代码       	|
+---------------------------+
| 堆（Heap）                	| <--- 向高地址增长
|   （该程序未使用堆）       	|
+---------------------------+
| 未初始化数据段（BSS）     	|
|   （该程序未使用BSS）      	|
+---------------------------+
| 已初始化数据段（Data）    	|
|   （该程序未使用数据段）   	|
+---------------------------+
| 代码段（Text）            	|
|   - main函数的机器指令     	|
|   - printf的调用指令       	|	
+---------------------------+ 低地址

用户态栈：每个进程在用户空间拥有独立的栈（位于用户虚拟地址空间），用于存储函数调用、局部变量等。

内核态栈：每个进程在内核空间还有一个独立的内核栈（通常较小，如8KB或16KB），专门用于内核态执行时的调用链（如系统调用、中断处理）。

内核线程（Kernel Thread）：仅有内核栈，无用户栈（因为不运行用户态代码）。

内核栈大小固定，设计紧凑以保证性能和安全性