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进程内存分布--之理论知识

news 来源：原创 2025/8/23 6:23:26

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

1、栈区（stack）：由编译器自动分配释放，存放函数调用函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap）：一般由程序员分配释放，如malloc 来分配的全局指针。若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，呵呵。

3、全局区（静态区）（static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后有系统释放。

4、文字常量区：常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放。

5、程序代码区：存放函数体的二进制代码。

进程内存分布总结如下：

- 程序段 (Text Segment)：可执行文件代码的内存映射
程序代码在内存中的映射，存放函数体的二进制代码。
可执行代码、字符串字面值、只读变量

- 数据段 (Data Segment)：可执行文件的已初始化全局变量的内存映射
在程序运行初已经对变量进行初始化的数据。
已初始化且初值非0的全局变量和局部静态变量，全局静态变量，常量

- BSS段 (BSS Segment)：未初始化的全局变量或者静态变量（用零页初始化）
在程序运行初未对变量进行初始化的数据。
未初始化或初值为0的全局变量和静态局部变量

- 堆区 (Heap) : 存储动态内存分配，匿名的内存映射
存储动态内存分配,需要程序员手工分配,手工释放.
注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表

- 栈区 (Stack) : 进程用户空间栈，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等
存储局部、临时变量，函数参数
函数调用时，存储函数的返回指针，用于控制函数的调用和返回。
在程序块开始时自动分配内存,结束时自动释放内存，其操作方式类似于数据结构中的栈。
但不包括static声明的变量， static 意味着在“数据段”中存放变量

- 映射段(Memory Mapping Segment)：任何内存映射文件
内核将文件的内容直接映射到内存
内存映射是一种方便高效的文件I/O方式，所以它被用来加载动态库。创建一个不对应于任何文件的匿名内存映射也是可能的，此方法用于存放程序的数据。
该区域用于映射可执行文件用到的动态链接库。

Linux 对进程地址空间有个标准布局，地址空间中由各个不同的内存段组成 (Memory Segment)，主要的内存段如下：图示如下：

Linux 内核将这 4G 字节的空间分为两部分，将最高的 1G 字节（0xC0000000-0xFFFFFFFF）供内核使用，称为内核空间。而将较低的3G字节（0x00000000-0xBFFFFFFF）供各个进程使用，称为用户空间。每个进程可以通过系统调用陷入内核态，因此内核空间是由所有进程共享的。虽然说内核和用户态进程占用了这么大地址空间，但是并不意味它们使用了这么多物理内存，仅表示它可以支配这么大的地址空间。它们是根据需要，将物理内存映射到虚拟地址空间中使用。

在Linux中，内核空间是持续存在的，并且在所有进程中都映射到同样的物理内存。（Linux内核由系统内的所有进程共享）。

而上面进程虚拟地址空间中的栈区，正指的是我们所说的进程栈。进程栈的初始化大小是由编译器和链接器计算出来的，但是栈的实时大小并不是固定的，Linux 内核会根据入栈情况对栈区进行动态增长（其实也就是添加新的页表）。但是并不是说栈区可以无限增长，它也有最大限制 RLIMIT_STACK (一般为 8M)，我们可以通过 ulimit 来查看或更改 RLIMIT_STACK 的值。

线程的内存分布

现代 linux 有多线程（linux 的线程其实是个轻量级的进程），一个进程的多个线程之间共享全局变量、堆、打开的文件…，但栈是不能共享的：栈中各层函数帧代表着一条执行线索，一个线程是一条执行线索，所以每个线程独占一个栈，而这些栈又都必须在所属进程的内存空间中。进程的内存分布就变成了下面这个样子：

2：内存分区结构

代码区
数据区
堆
栈
静态存储区
全局变量区
静态变量区
常量区（静态常量区）
字符串常量
常变量区

可执行二进制程序 = 代码段(text)＋数据段(data)+BSS段
而当程序被加载到内存单元时，则需要另外两个域：堆域和栈域。
一个正在运行的C程序占用的内存区域分为代码段、初始化数据段、未初始化数据段(BSS)、堆、栈5个部分。

正在运行的C程序 = 代码段(text)+初始化数据段(data)+未初始化数据段(BSS)+堆(heap)+栈（stack）
在将应用程序加载到内存空间执行时，操作系统负责代码段、数据段和BSS段的加载，并将在内存中为这些段分配空间。
栈亦由操作系统分配和管理，而不需要程序员显示地管理；
堆段由程序员自己管理，即显示地申请和释放空间。

动态分配与静态分配，二者最大的区别在于:
直到Run-Time（运行）的时候，执行动态分配
而在compile-time（编译）的时候，就已经决定好了分配多少Text+Data+BSS+Stack。
通过malloc()动态分配的内存，需要程序员手工调用free()释放内存，否则容易导致内存泄露，
而静态分配的内存则在进程执行结束后系统释放(Text, Data), 但Stack段中的数据很短暂，函数退出立即被销毁。

进程和线程内存

我们都知道进程运行时，会有一个栈空间（stack）和一个堆空间（heap）, 栈空间用于函数调用和局部变量，堆空间是C语言的 malloc 来分配的全局指针。

这些都是进程的私有数据，除了这些，还有映射进来的动态库，进程间的共享内存等共享空间。另外，操作系统还支持预留虚拟地址空间的功能(延迟分配)，也就是在读写该内存的时候，操作系统才进行物理内存的分配，因此进程占用的空间情况还是比较复杂的。下面简单地说明一下。

VSZ：Virtual Memory Size（虚拟内存大小）。进程占用的全部地址空间，共享库，预分配内存，交换分区等都包含在里面。因此，它远远大于实际的占用的内存空间。
RSS：Resident Set Size（驻留集大小）, 实际占用的物理内存，它包含共享库，但不包含在交换分区的空间。随着程序的运行，RSS也会跟着增长，VSZ将是它的上限。
PSS：Proportional Set Size，也是实际分配的物理内存，与RSS的区别是，它以平分的方式来计算共享库的大小（共享库 / 进程个数）, RSS会把共享库的大小全部计算进来。
USS：Unique Set Size, 进程的私有内存（独自使用的库，堆等空间），不包含共享的内存空间。
ANON: Anonymous memory，匿名内存 —— 没有文件关联的内存页面。Linux会自动映射文件到内存，读取的文件后，会自动缓存到内存。如果，应用程序只是使用mmap（MAP_ANONYMOUS）分配一些内存页面没有文件关联，就称为“匿名内存”。
Dirty: dirty pages , 脏页大小 —— 还没有写回到硬盘的缓存页面。
VIRT: 同VSZ。
RES: 同RSS。

内存指标

Item	全称	含义	等价
USS	Unique Set Size	物理内存	进程独占的内存
PSS	Proportional Set Size	物理内存	Pss =Uss+按比例包含共享库
RSS	Resient Set Size	物理内存	RSS=USS+包含共享库
VSS	Virtual Set Size	虚拟内存	VSS = RSS+未分配实际物理内存

内存的大小关系：VSS>RSS>=PSS>=USS

在实际分析中，一般是以PSS的内存为准，且也是最符合实际情况的统计值

假如进程A（2k），只依赖动态库B(1000k) ；A 分配 128k的匿名空间，200k的堆栈和堆的空间——实际使用100k。其中动态库B被 2个进程共享，实际加载200k，那么 ——

VSZ = 2k + 1000k + 128k + 200k = 1230k

RSS = 2k + 200k + 128k + 100k = 430k

PSS = 2k + 200k / 2 + 128k + 100k = 330k

USS = 2k + 128k + 100k = 230k

ANON = 128k

区别

VSS : Virtual Set Size 虚拟耗用内存(包含共享库占用的内存),即单个进程全部可访问的地址空间，其大小可能包括还尚未在内存中驻留的部分。对于确定单个进程实际内存使用大小，VSS用处不大。

RSS : Resident Set Size 实际使用物理内存(包含共享库占用的内存),即单个进程实际占用的内存大小，RSS不太准确的地方在于它包括该进程所使用共享库全部内存大小。对于一个共享库，可能被多个进程使用，实际该共享库只会被装入内存一次。

PSS : Proportional Set Size 实际使用的物理内存(比例分配共享库占用的内存)PSS相对于RSS计算共享库内存大小是按比例的。N个进程共享，该库对PSS大小的贡献只有1/N。

USS : Unique Set Size 进程独自占用的物理内存(不包含共享库占用的内存)即单个进程私有的内存大小，即该进程独占的内存部分。USS揭示了运行一个特定进程在的真实内存增量大小。如果进程终止，USS就是实际被返还给系统的内存大小。

PS：下一篇介绍：进程内存分布--之单线程和多线程编写代码来内存分布呈现memory-layout.cpp

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