🧠 C++ 程序运行时内存布局

📌 适用于理解全局变量、栈、堆、静态区、代码段的存储位置与生命周期。

本文我们主要介绍 C++ 程序运行时内存布局，以及变量存储位置，包括栈、堆、静态存储区等，并附上 ASCII 图解。

---

🖼️ 内存布局示意图（ASCII 图）

高地址
┌──────────────────────────────┐  ← 栈顶（向低地址增长）
│         Stack (栈)           │
│  - 局部变量                  │
│  - 函数参数                  │
│  - 返回地址                  │
├──────────────────────────────┤
│                              │  ← 未使用内存（空闲区）
│        （Free Memory）       │
│                              │
├──────────────────────────────┤
│         Heap (堆)            │  ← 堆底（向高地址增长）
│  - new / malloc 分配的对象    │
│  - 动态数据结构              │
├──────────────────────────────┤
│   .bss 段                    │
│  - 未初始化的全局/静态变量     │ → int global_uninit;
├──────────────────────────────┤
│   .data 段                   │
│  - 已初始化的全局/静态变量     │ → int global_init = 100;
│  - static 变量               │
├──────────────────────────────┤
│   .text 段（代码段）          │
│  - 函数机器指令               │ → main(), func() 等
│  - 只读                      │
└──────────────────────────────┘  ← 低地址

---

🔍 各内存区域详解

1️⃣ 栈（Stack）

• 位置：高地址 → 向低地址增长
• 内容：
  • 局部变量
  • 函数参数
  • 返回地址
• 管理方式：编译器自动分配/释放
• 生命周期：函数作用域，离开函数后自动释放内存
• 特点：快、安全、容量小（通常几 MB）

void func(int a) { //函数参数 ← 存在栈上
    int x = 10; // 局部变量 ← 存在栈上
}

📌 我们常说栈内存是函数调用栈，函数调用时，参数、局部变量会压入栈中，函数返回时，参数、局部变量会从栈中弹出。

---

2️⃣ 堆（Heap）

• 位置：静态区之上，栈之下 → 向高地址增长
• 内容：
  • new / malloc 分配的对象
  • 动态数组、对象、容器底层存储等
• 管理方式：手动 delete / free 或使用智能指针（推荐）
• 生命周期：由程序员控制
• 特点：慢、灵活、容量大

int* p = new int(42); // ← p指向对象在堆，p 指针变量在栈

---

3️⃣ 静态存储区（Data Segment）

➤ .data 段

• 存放已初始化的全局变量和静态变量
• 示例：

int global_var = 999;      // ← .data
static int s = 100;        // ← .data

➤ .bss 段

• 存放未初始化或初始化为 0 的全局/静态变量
• 示例：

int uninit_global;         // ← .bss（默认=0）
static int zero_static = 0; // ← 通常优化进 .bss

💡 为什么分 .data 和 .bss？
.data 需保存初始值 → 占用可执行文件空间；
.bss 只需记录大小 → 加载时清零 → 节省磁盘空间。

---

4️⃣ 代码段（.text）

• 内容：程序的机器指令（函数体）
• 属性：只读、不可修改
• 示例：

int main() { return 0; } // ← 函数代码存在 .text 段

---

🧭 地址增长方向示意

高地址 ────────────────┐
                       ↓ 栈向下增长（函数调用压栈）
       ┌───────────────┤
       │   Stack       │
       ├───────────────┤
       │   (Free)      │
       ├───────────────┤
       │   Heap        │
       └───────────────┤
                       ↑ 堆向上增长（new 分配内存）
低地址 ────────────────┘

⚠️ 实际地址分布可能因操作系统、编译器、架构略有不同，但“栈向下、堆向上”是常见模型。

---

🧪 示例代码 + 地址输出示意

#include <iostream>
using namespace std;

int global_data = 100;     // → .data
int global_bss;            // → .bss

int main() {
    int local_stack = 200;           // → 栈
    static int local_static = 300;   // → .data（静态局部变量）
    int* heap_ptr = new int(400);    // → 堆对象，指针变量在栈

    cout << "global_data (.data): " << &global_data << endl;
    cout << "global_bss  (.bss) : " << &global_bss << endl;
    cout << "local_static(.data): " << &local_static << endl;
    cout << "local_stack (stack): " << &local_stack << endl;
    cout << "heap object (heap) : " << heap_ptr << endl;

    delete heap_ptr;
    return 0;
}

📌 典型输出地址顺序（64位 Linux 示例）：

global_data:  0x555555558010  ← .data（低地址区）
global_bss:   0x555555558014  ← .bss（紧邻 .data）
local_static: 0x555555558018  ← 静态区
local_stack:  0x7fffffffdc8c  ← 栈（高地址）
heap object:  0x555555579eb0  ← 堆（中间地址）

---

✅ 总结口诀

“代码垫底，数据居中，堆往上爬，栈往下降，全局静态稳如泰山。”

---

📚 附：变量存储位置速查表

变量类型	存储位置	生命周期	是否需要手动管理
全局变量	静态区（.data/.bss）	整个程序运行期	❌ 否
静态局部变量	静态区	整个程序运行期	❌ 否
局部变量	栈	函数作用域	❌ 自动管理
new / malloc 对象	堆	手动控制	✅ 是（或智能指针）
函数代码	代码段（.text）	整个程序运行期	❌ 只读不可修改

---

📌 学习建议：配合调试器（如 GDB）或打印变量地址，亲自观察内存分布，理解更深刻！

• 本文作者： 迪丽惹Bug
• 本文链接： https://lyroom.github.io/2025/09/19/C-程序运行时内存布局/
• 版权声明： 本博客所有文章除特别声明外，均采用 MIT 许可协议。转载请注明出处！