程序的 text段、data段、bss段与rodata段

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现代操作系统的内存分配以页为单位进行管理，而页通过段进行管理，组成了段页式内存管理。
本文对C++程序的各段进行简单的区分，并厘清各段在可执行程序与进程中的状态关系。

程序大体被划分为两部分，只读部分和读/写部分，这源于历史上ROM和RAM两类存储器的划分。尽管现代存储器的发展早就突破了这种分类方式，程序内存的某些部分不应该被修改的想法却被保留了下来。

text段

代码段（code segment/text segment）用于存放可执行程序，也就是对应架构下程序的指令序列。代码段包含在可执行程序中，大小是确定的；加载到进程中之后，所在内存区域通常被MMU设置为只读，以保护代码段不会被意外改写（如出错时）。当然，没有MMU的系统，就没有这种写保护。代码段也可能包含一些只读的常量，如字符串常量等。

data段、bss段、rodata段

• 数据段（data segment）用于存放编译时就能确定的全局数据，包括已初始化的全局变量和静态变量。数据段包含在可执行程序中，大小是确定的；加载到进程中，所在内存区域可读可写。数据段属于静态内存分配。
• bss是英文Block Started by Symbol的缩写（奇怪的历史遗留），用于存放编译阶段无法确定的全局数据，包括未初始化的全局变量和静态变量。可执行程序不含bss段，只记录区域大小；进程为bss段开辟内存空间，并清零。从优化的角度出发，初始化为零的全局变量，也会被放进bss段从大压缩可执行文件的大小。
• 常量区rodata段存放的是只读数据，比如字符串常量、全局const变量。常量区在程序中大小确定；在进程中内存只读。

注意，并不是所有的常量都会被保存到rodata段，存在一些特殊情况：

1. 有些立即数会直接编码到指令里，位于代码段；
2. 重复的字符串常量会合并，程序中只保留一份；
3. 某些系统中rodata段会被多个进程共享，用于提高空间利用率。 —— amazing~
   另外，有的嵌入式系统中，rodata不会加载到RAM中，而是直接在ROM中读取。
   由此可见，将不会修改的变量设为const是有很多好处的，不仅提高空间利用率，还能得到系统的写保护，有利于提高系统稳定性。

rel.text段、rel.data段

分别是针对text段和data段的重定位表。

strtab段、symtab段、shstrtab段

• .strtab是字符串表（String Table）；
• .shstrtab是段表字符串表(Section Header String Table)，针对段表；
• .symtab是符号表，一般是变量、函数；
  shstrtab及symtab会引用strtab中的字符串。

stack段、heap段

堆和栈都是进程中的概念，可执行程序中并不包括这两个段，更不会预先指定其大小。堆和栈的大小都受到具体的机器限制，当堆和栈用尽系统内存的时候，分别会发生常见的 Stack Overflow、Out of Memory 错误。

• stack在内存空间中位于用户空间的顶部，自顶向下增长。栈底是main函数，在执行完bss段清零等初始化工作后才进入main函数开始执行。
• heap在内存空间中位于用户空间的底部，但是在text、bss、data等各段之上，与stack段相向增长。堆的空间增长和回收由malloc/free、new/delete来操作，并可通过为系统配置不同的内存分配库如 ptmalloc(glibc标配)、tcmalloc(google)、jemalloc(facebook) 来切换不同的内存分配算法，以提高内存分配效率。

总结

可执行程序中确定包含的段有：text/code段、data段、rodata段，可能包含的段有：符号表和重定位表。
编译时gcc -g选项可以打开调试信息。重定位分为链接时重定位和装载时重定位，链接时重定位是把各个不同.o文件的符号合并到目标地址，从而形成一个统一的可执行文件；装载时重定位是因为可能引用外部的动态链接库.so文件中的变量或函数，无法预先确定偏移量。如果没有引用外部.so，则无需装载时重定位。

一些验证代码

1. 验证全局变量位于data段还是bss段

#include <stdio.h>

int a[100]; // case 1
// int a[100] = {1}; // case 2
// int a[100] = {0}; // case 3

int main() {
    printf("%d\n", a[0]);
    return 0;
}

在本地对于以上三种情况分别进行编译，并使用 ls -al查看文件大小显示分别为 8328、8744、8328。显然，未初始化和初始化为零的大小一样，都是作为bss段处理，并不占用可执行程序大小；初始化为非零值之后，除了100个int元素应占的400B空间之外，另有16B额外空间开销（可能是用于strtab或者rel.data开销？）。

程序的 text段、data段、bss段与rodata段

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