C 程序中的变量和调用及其在 Linux 进程地址空间中的对应位置答案

【问题标题】：Variables and calls in a C program and its corresponding location in the Linux process address spaceC 程序中的变量和调用及其在 Linux 进程地址空间中的对应位置
【发布时间】：2019-01-11 11:16:23
【问题描述】：

我目前正在学习 Linux 进程地址空间，我不确定这些 C 变量在进程地址空间中对应的位置。

我知道当一个函数被调用时，会创建一个新框架，它会包含局部变量和其他函数调用等。

我不确定的是框架中的指针：

我有这个功能：

int main(){
    char *pointer1 = NULL;
    char *pointer2 = (void *)0xDDDDDDDD;
    pointer1 = malloc(80);
    strcpy(pointer1, "Testing..");
    return(0);
}

调用 main 时，会创建一个新框架。

变量被初始化。

我不确定这些是指针，在哪里：

*pointer1对应在进程地址空间-数据还是文本部分？
*pointer2对应于进程地址空间-数据还是文本部分？
NULL 和 0xDDDDDDDD 是否属于数据或文本部分？
由于pointer1 = malloc(80)，是否属于栈段？

【问题讨论】：

标签： c linux linux-kernel

【解决方案1】：

首先应该注意的是，C 规范实际上并不要求将局部变量存储在堆栈中，它根本没有指定自动变量的位置。

话虽如此，变量pointer1 和pointer2 本身的存储很可能会被编译器放入堆栈中。当调用main 函数时，它们的内存将成为编译器创建的堆栈帧的一部分。

继续，在现代类似 PC 的系统上，指针实际上只不过是一个简单的无符号整数，它的值是它指向的地址。用于初始化的值（NULL 和0xDDDDDDDD）只是简单的整数值。初始化的完成与普通的int 变量相同。因此，用于初始化的值并不真正作为“数据”存在，而是可以直接在机器代码中编码，因此将存储在“文本”（代码）段中。

最后，对于动态分配，pointer1 的存储位置不会改变。它只是为pointer1 分配一个新值是什么？正在分配的内存位于与任何程序部分分开的“堆”上（即它既不在代码、数据或堆栈段中）。

【讨论】：

【解决方案2】：

正如一些程序员花花公子刚才所说，C 规范没有规定必须放置自动变量的区域。但是编译器通常会增加堆栈以适应它们。但是，它们可能会在 .data 区域结束，如果它们被定义为 static char *pointer1，它们就会结束。

初始化值可能存在也可能不存在于程序区域中。在您的情况下，由于值的类型是int，如果具有适当内联运算符的指令可用，大多数架构会将初始化内联为适当的机器指令。例如，在 x86_64 中，将发出单个 mov/movq 操作以将 0 (NULL) 或其他 int 放入堆栈上的适当内存位置。

但是，使用全局范围初始化的变量，例如 static char string[40] = "Hello world" 或其他已初始化的全局变量最终会出现在 .data 区域并占用其中的空间。编译器可能会将已声明但未定义的全局范围变量放在 .bss 区域中。

问题既然pointer1 = malloc(80)，它是否属于堆栈部分？这个问题定义不明确，因为它包含两个东西。

值pointer1 是一个将保存在&pointer1 的值。考虑到上述考虑，编译器可能已放入堆栈的地址。

malloc(80) 的结果是一个值，它引用堆上的一个区域，一个不同的区域，在映射的程序空间之外动态分配。在 Linux 上，调用 malloc 的结果甚至可能会创建一个新的 NULL 支持的内存区域（即不是永久存储在文件中的临时区域；尽管它可以被内核交换）。

本质上，您可以将 malloc(80) 的行为方式想象成类似（不考虑 free()，所以 这是过于简单化了）：

int space_left = 0; void *last_mapping = NULL;
void *malloc(int req) {
    void *result;
    if (space_left < req) {
        last_mapping = mmap(NULL, MALLOC_CHUNK_LENGTH, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
        space_left = MALLOC_CHUNK_LENGTH;
    }
    space_left -= req;
    result = last_mapping;
    last_mapping += req;
    return result;
}

使用 MAP_PRIVATE 调用 malloc 和 mmap 的巨大区别在于 mmap 是一个 Linux 系统调用，它必须进行内核上下文切换，分配新的内存映射并为每个分配的内存块重置 MMU 层，而 malloc 可以更智能，将单个大区域用作“堆”，并在堆初始化后管理用户空间中的不同 malloc 和 free （直到堆空间用完，它可能必须管理多个堆）。

【讨论】：

【解决方案3】：

你疑惑的最后一段，即“由于pointer1 = malloc(80)，它是否属于堆栈部分？”，我可以告诉你

在 C 中，动态内存是使用一些标准库函数从堆中分配的。两个关键的动态内存函数是 malloc() 和 free()。

malloc() 函数采用单个参数，即所请求内存区域的大小（以字节为单位）。它返回一个指向已分配内存的指针。如果分配失败，则返回 NULL。标准库函数的原型是这样的：

      void *malloc(size_t size);

free() 函数获取 malloc() 返回的指针并释放内存。不返回成功或失败的指示。函数原型是这样的：

      void free(void *pointer);

您可以参考文档 https://www.design-reuse.com/articles/25090/dynamic-memory-allocation-fragmentation-c.html

【讨论】：