在前边的课程里，我们学习了计算机物理地址和虚拟地址的概念。有了虚拟地址之后，运行在系统里的用户进程看到的地址空间范围，都是虚拟地址空间范围（32 位计算机的地址范围是 4G；64 位计算机的地址范围是 256T）。这样的话，就不用再担心内存地址不够用，以及与其他进程之间产生内存地址冲突的问题了。
前面几节，我们关注的是如何解决进程之间的冲突，从这节课起，我们一起来看下进程内部的虚拟内存布局，或者说单一进程是如何安排自己的各种数据的。
学习了这节，你将理解全局变量和 static 变量在内存中的位置以及初始化时机，在这个基础上，你还将明白在栈上创建对象和在堆上创建对象有什么不同等问题。这些问题的核心都可以归结到“内存是如何布局的”这个问题上，所以只有深刻地掌握了内存布局的知识，你才能做到以不变应万变，面对各种具体问题才有了分析的方向和思路，进而，你才能写出更加“内存安全”的代码。
首先，我们来看一下，对于一个典型的进程来说，它的内存空间是由哪些部分组成的？每个部分又被安置在空间的什么位置？
抽象内存布局
我们知道，CPU 运行一个程序，实质就是在顺序执行该程序的机器码。一个程序的机器码会被组织到同一个地方，这个地方就是代码段。
另外，程序在运行过程中必然要操作数据。这其中，对于有初值的变量，它的初始值会存放在程序的二进制文件中，而且，这些数据部分也会被装载到内存中，即程序的数据段。数据段存放的是程序中已经初始化且不为 0 的全局变量和静态变量。
对于未初始化的全局变量和静态变量，因为编译器知道它们的初始值都是 0，因此便不需要再在程序的二进制映像中存放这么多 0 了，只需要记录他们的大小即可，这便是BSS 段。BSS 段这个缩写名字是 Block Started by Symbol，但很多人可能更喜欢把它记作 Better Save Space 的缩写。
数据段和 BSS 段里存放的数据也只能是部分数据，主要是全局变量和静态变量，但程序在运行过程中，仍然需要记录大量的临时变量，以及运行时生成的变量，这里就需要新的内存区域了，即程序的堆空间跟栈空间。与代码段以及数据段不同的是，堆和栈并不是从磁盘中加载，它们都是由程序在运行的过程中申请，在程序运行结束后释放。
总的来说，一个程序想要运行起来所需要的几块基本内存区域：代码段、数据段、BSS 段、堆空间和栈空间。下面就是内存布局的示意图
这是程序运行起来所需要的最小功能集，如果你尝试去看 Linux 0.11 的内核代码的话，会发现它所支持的 a.out 文件格式和内存布局就是上边的样子。
除了上面所讲的基本内存区域外，现代应用程序中还会包含其他的一些内存区域，主要有以下几类：
存放加载的共享库的内存空间：如果一个进程依赖共享库，那对应的，该共享库的代码段、数据段、BSS 段也需要被加载到这个进程的地址空间中。
共享内存段：我们可以通过系统调用映射一块匿名区域作为共享内存，用来进行进程间通信。
内存映射文件：我们也可以将磁盘的文件映射到内存中，用来进行文件编辑或者是类似共享内存的方式进行进程通信。
这样我们就初步了解了一个进程内存中需要哪些区域。
在上面的讨论中，我们并没有区分磁盘的程序段 (Section)，以及内存程序段 (Segment) 的概念，这两个词在国内往往都被翻译成“段”，导致大多数同学会混淆它们。这里来做一个区分。
上图从两个视角展示了应用程序的分布，左边是程序在磁盘中的文件布局结构，右边是程序加载到内存中的内存布局结构。
对于磁盘的程序，每一个单元结构称为 Section。我们可以通过 readelf -S 的选项，来查看二进制文件中所有的 Section 信息。对于右边的内存镜像，每一个单元结构称为 Segment。我们可以通过 readelf -l 的选项，来查看二进制文件加载到内存之后的 Segment 布局信息。
同时我们也可以看到，往往多个 Section 会对应一个 Segment，例如.text、.rodata 等一些只读的 Section，会被映射到内存的一个只读 / 执行的 Segment 里；而.data、.bss 等一些可读写的 Section，则会被映射到内存的一个具有读写权限的 Segment 里。并且对于磁盘二进制中一些辅助信息的 Section，例如.symtab、.strtab 等，不需要在内存中进行映射。
总的来说，Section 主要是指在磁盘中的程序段，而Segment 则用来指代内存中的程序段，Segment 是将具有相同权限属性的 Section 集合在一起，系统为它们分配的一块内存空间。
接下来，我们就具体看下 Linux 系统下内存布局是怎样的。
IA-32 机器上的 Linux 进程内存布局
在 32 位机器上，每个进程都具有 4GB 的寻址能力。Linux 系统会默认将高地址的 1GB 空间分配给内核，剩余的低 3GB 是用户可以使用的用户空间。下图是 32 位机器上 Linux 进程的一个典型的内存布局。在实践中，我们可以通过cat /proc/pid/maps来查看某个进程的实际虚拟内存布局。
现在，我们从低地址到高地址，依次来解释下图中的布局情况。
首先，我们发现在 32 位 Linux 系统下，从 0 地址开始的内存区域并不是直接就是代码段区域，而是一段不可访问的保留区。这是因为在大多数的系统里，我们认为比较小数值的地址不是一个合法地址，例如，我们通常在 C 的代码里会将无效的指针赋值为 NULL。因此，这里会出现一段不可访问的内存保留区，防止程序因为出现 bug，导致读或写了一些小内存地址的数据，而使得程序跑飞。
接下来，我们可以看到，代码段从 0x08048000 的位置开始排布（需要注意的是，以上地址需要 gcc 编译的时候不开启 pie 的选项）。就像我们前面提到的，代码段、数据段都是从可执行文件映像中装载到内存中；BSS 段则是根据 BSS 段所需的大小，在加载时生成一段 0 填充的内存空间。
紧接着，排在 BSS 段后边的就是堆空间了。在图中，堆的空间里有一个向上的箭头，这里标明了堆地址空间的增长方向，也就是说，每次在进程向内核申请新的堆地址时候，其地址的值是在增大的。与之对应的是栈空间，有一个向下的箭头，说明栈增长的方向是向低地址方向增长，也就是说，每次进程申请新的栈地址时，其地址值是在减少的。
对此，我们可以想象堆和栈分别由两个指针控制，堆指针指明了当前堆空间的边界，栈指针指明了当前栈空间的边界。当堆申请新的内存空间时，只需要将堆指针增加对应的大小，回收地址时减少对应的大小即可。而栈的申请刚好相反。这其实就是内核对堆跟栈使用的最根本的方式，其中，堆的指针叫做“Program break”，栈的指针叫做“Stack pointer”，也就是 x86 架构下的 sp 寄存器。我们在后续的课程中会分别展开堆空间跟栈空间的实现原理。
继续往下看，就到了内存映射区域，这里最常见的就是程序所依赖的共享库，例如 libc.so。共享库的代码段、数据段、BSS 段都会被装载到这里。
这里要说明一点，我们上述的布局分析都是基于 Linux 系统下关闭了进程地址随机化的选项。如果打开进程地址随机化的模式，其中的堆空间、栈空间和共享库映射的地址，在每次程序运行下都会不一样。这是因为内核在加载的过程中，会对这些区域的起始地址增加一些随机的偏移值，这能增加缓冲区溢出的难度。
对于这个进程地址随机化选项，我们可以通过 sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=val的命令来设置。其中，val=0 表示关闭内存地址随机化；val=1 表示使得 mmap 的基地址、栈地址和 VDSO 的地址随机化；val=2 则是在 1 的基础上增加堆地址的随机化。
到这里，我们对 32 位机器下 Linux 进程的内存布局有了一个清晰的认知。对于 64 位系统而言，它的基本框架与 32 位架构是一致的，但在一些细节上，还是有所不同。
Intel 64 机器上的 Linux 进程内存布局
64 位系统理论的寻址范围是 2^64，也就是 16EB。但是，从目前来看，我们的系统和应用往往用不到这么庞大的地址空间。因此，在目前的 Intel 64 架构里定义了 canonical address 的概念，即在 64 位的模式下，如果地址位 63 到地址的最高有效位被设置为全 1 或全零，那么该地址被认为是 canonical form。目前，Intel 64 处理器往往支持 48 位的虚拟地址，这意味着 canonical address 必须将第 63 位到第 48 位设置为零或一（这取决于第 47 位是零还是一）。
所以，目前的 64 系统下的寻址空间是 2^48，即 256TB。而且根据 canonical address 的划分，地址空间天然地被分割成两个区间，分别是 0x0 - 0x00007fffffffffff 和 0xffff800000000000 - 0xffffffffffffffff。这样就直接将低 128T 的空间划分为用户空间，高 128T 划分为内核空间。下面这张图展示了 Intel 64 机器上的 Linux 进程内存布局：
从图中你可以看到，在用户空间和内核空间之间有一个巨大的内存空洞。这块空间之所以用更深颜色来区分，是因为这块空间的不可访问是由 CPU 来保证的（这里的地址都不满足 Intel 64 的 Canonical form）。
对于 64 位的程序，你在查看 /proc/pid/maps 的过程中，会发现代码段跟数据段的中间还有一段不可以读写的保护段，它的作用也是防止程序在读写数据段的时候越界访问到代码段，这个保护段可以让越界访问行为直接崩溃，防止它继续往下运行。
在所有的内存区域中，程序员打交道最多、接触最广泛的就是堆空间。所以，我们接下来重点关注操作系统所提供的，用于管理堆的系统调用是怎样的。这里会先讲如何通过系统调用申请堆空间，关于堆空间更精细的管理，我们将在第 9 节介绍。
申请堆空间
其实，不管是 32 位系统还是 64 位系统，内核都会维护一个变量 brk，指向堆的顶部，所以，brk 的位置实际上就决定了堆的大小。Linux 系统为我们提供了两个重要的系统调用来修改堆的大小，分别是 sbrk 和 mmap。接下来，我们来学习这两个系统调用是如何使用的。我们先来看 sbrk。
sbrk
sbrk 函数的头文件和原型定义如下：
#include <unistd.h> void* sbrk(intptr_t incr);sbrk 通过给内核的 brk 变量增加 incr，来改变堆的大小，incr 可以为负数。当 incr 为正数时，堆增大，当 incr 为负数时，堆减小。如果 sbrk 函数执行成功，那返回值就是 brk 的旧值；如果失败，就会返回 -1，同时会把 errno 设置为 ENOMEM。
在实际应用中，我们很少直接使用 sbrk 来申请堆内存，而是使用 C 语言提供的 malloc 函数进行堆内存的分配，然后用 free 进行内存释放。关于 malloc 和 free 的具体实现，我们将在第 8 节课进行详细讲解。这里你要注意的是，malloc 和 free 函数不是系统调用，而是 C 语言的运行时库。Linux 上的主流运行时库是 glibc，其他影响力比较大的运行时库还有 musl 等。C 语言的运行时库多是以动态链接库的方式实现的，关于动态链接库的相关知识，会在第 7 节加以介绍。
在 C 语言的运行时库里，malloc 向程序提供分配一小块内存的功能，当运行时库的内存分配完之后，它会使用 sbrk 方法向操作系统再申请一块大的内存。我们可以将 C 语言的运行时库类比为零售商，它从操作系统那里批发一块比较大的内存，然后再通过零售的方式一点点地提供给程序员使用。
mmap
另一个可以申请堆内存的系统调用是 mmap，它是最重要的内存管理接口。mmap 的头文件和原型如下所示：
#include <unistd.h> #include <sys/mman.h> void* mmap(void* addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);解释一下上述代码中的各个变量的意义：
addr 代表该区域的起始地址；
length 代表该区域长度；
prot 描述了这块新的内存区域的访问权限；
flags 描述了该区域的类型；
fd 代表文件描述符；
offset 代表文件内的偏移值。
mmap 的功能非常强大，根据参数的不同，它可以用于创建共享内存，也可以创建文件映射区域用于提升 IO 效率，还可以用来申请堆内存。决定它的功能的，主要是 prot, flags 和 fd 这三个参数，我们分别来看看。
prot 的值可以是以下四个常量的组合：
PROT_EXEC，表示这块内存区域有可执行权限，意味着这部分内存可以看成是代码段，它里面存储的往往是 CPU 可以执行的机器码。
PROT_READ，表示这块内存区域可读。
PROT_WRITE，表示这块内存区域可写。
PROT_NONE，表示这块内存区域的页面不能被访问。
而 flags 的值可取的常量比较多，你可以通过 man mmap 查看，这里我只列举一下最重要的四种可取值常量：
MAP_SHARED：创建一个共享映射的区域，多个进程可以通过共享映射的方式，来共享同一个文件。这样一来，一个进程对该文件的修改，其他进程也可以观察到，这就实现了数据的通讯。
MAP_PRIVATE：创建一个私有的映射区域，多个进程可以使用私有映射的方式，来映射同一个文件。但是，当一个进程对文件进行修改时，操作系统就会为它创建一个独立的副本，这样它对文件的修改，其他进程就看不到了，从而达到映射区域私有的目的。
MAP_ANONYMOUS：创建一个匿名映射，也就是没有关联文件。使用这个选项时，fd 参数必须为空。
MAP_FIXED：一般来说，addr 参数只是建议操作系统尽量以 addr 为起始地址进行内存映射，但如果操作系统判断 addr 作为起始地址不能满足长度或者权限要求时，就会另外再找其他适合的区域进行映射。如果 flags 的值取是 MAP_FIXED 的话，就不再把 addr 看成是建议了，而是将其视为强制要求。如果不能成功映射，就会返回空指针。
通常，我们使用私有匿名映射来进行堆内存的分配，具体的原理我们会在第 9 节详细分析。
我们再来看参数 fd。当参数 fd 不为 0 时，mmap 映射的内存区域将会和文件关联，如果 fd 为 0，就没有对应的相关文件，此时就是匿名映射，flags 的取值必须为 MAP_ANONYMOUS。
明白了 mmap 及其各参数的含义后，你肯定想知道什么场景下才会使用 mmap，我们又该怎么使用它。
mmap 的其他应用场景
mmap 这个系统调用的能力非常强大，我们在后面还会经常遇到它。在这节里，我们先来了解一下它最常见的用法。
根据映射的类型，mmap 有四种最常用的组合：
其中，私有匿名映射常用于分配内存，也就是我们上文讲的申请堆内存，具体原理我们会在第 9 节讲解。而私有文件映射常用于加载动态库，它的原理会在第 7 节和第 8 节进行分析。
这里我们重点看看共享匿名映射。我们通过一个例子，来了解一下 mmap 是如何用于父子进程之间的通信的，其他的例子我会在后面的章节陆续介绍。它的用法示例代码如下：
#include <sys/mman.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main() { pid_t pid; char* shm = (char*)mmap(0, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0); if (!(pid = fork())){ sleep(1); printf("child got a message: %s\n", shm); sprintf(shm, "%s", "hello, father."); exit(0); } sprintf(shm, "%s", "hello, my child"); sleep(2); printf("parent got a message: %s\n", shm); return 0; }在这个过程中，我们先是用 mmap 方法创建了一块共享内存区域，命名为 shm（第 9 行代码），接着，又通过 fork 这个系统调用创建了子进程。从第 13 行到第 16 行代码是子进程的执行逻辑，具体来讲，子进程休眠一秒后，从 shm 中取出一行字符并打印出来，然后又向共享内存中写入了一行消息（第 15 行）。
在子进程的执行逻辑之后，是父进程的执行逻辑（第 19 行以后）：父进程先写入一行消息，然后休眠两秒，等待子进程完成读取消息和发消息的过程并退出后，父进程再从共享内存中取出子进程发过来的消息。
这就是共享匿名映射在父子进程间通信的运用。我们使用 gcc 编译运行上面的例子，可以得到这样的结果：
$ gcc -o mm mmap_shm.c $ ./mm child got a message: hello, my child parent got a message: hello, father.我想请你结合我刚才的讲解，来分析一下这个程序运行的结果，这样你就理解的更透彻了。
关于共享匿名映射，我们就讲到这里，至于 mmap 的另一个组合共享文件映射。它的作用其实和共享匿名映射相似，也可以用于进程间通讯。不同的是，共享文件映射是通过文件名来创建共享内存区域的，这就让没有父子关系的进程，也可以通过相同的文件创建共享内存区域，从而可以使用共享内存进行进程间通讯。更具体的原理分析放在了第 10 章。
总结
在这节中，我们从抽象到具体逐步了解了程序运行时的内存布局模型。我们了解到，一个进程的内存可以分为内核区域和用户区域。内核区域是由操作系统内核维护的，我们通常并不关心这一块内存是如何使用的。
程序员最关心的是用户空间，用户空间大致可以分为栈、堆、bss 段、数据段和代码段：
代码段保存的是程序的机器指令，这一段区域的内存往往是可读可执行，但不可写；
数据段保存的是程序的静态变量和全局变量；
bss 段用于无初值的变量区域；
堆是程序员可以自由申请的空间，当我们在写程序时要保存数据，优先会选择堆；
栈是函数执行时的活跃记录，这将是我们下一节要重点分析的内容。
这 5 个内存区域通常是由高地址向低地址顺序排列的。但这并不是绝对的，以后我们会看到各种反例，比如代码段的位置完全可以比堆的位置还要高。
接着，我们以 Linux 为例，分别研究了 IA-32 架构和 Intel64 架构上的内存布局。在这两种情况下，各个段都是按照上述功能进行划分的，区别在于 64 架构中地址空间更大，而且内核空间和用户空间是不连续的。
此外，我们还初步学习了两个用于堆管理的系统调用 sbrk 和 mmap。其中，mmap 的用法非常复杂，根据调用时传的参数，它有 4 种常见的用法，分别是私有匿名映射、私有文件映射、共享匿名映射和共享文件映射。其中，共享匿名映射是我们这节课的重点，它可以用于父子进程之间的通讯。关于 mmap 的其他功能，我们会在后面逐渐展开。
在接下来的课程中，会详细介绍内存布局中的堆跟栈，这两块也是我们开发人员最常打交道的内存区域，让你对程序运行时的环境和内存状态有一个更深入的理解。
思考题
一块内存区域的权限一般包括可读，可写，可执行三类，请你思考一下，代码段应该被授予怎么样的权限呢？数据段和堆又该被授予怎样的权限呢？
