• 你的变量究竟存储在什么地方 [转]


    我相信大家都有过这样的经历,在面试过程中,考官通常会给你一道题目,然后问你某个变量存储在什么地方,在内存中是如何存储的等等一系列问题。不仅仅是在面试中,学校里面的考试也会碰到同样的问题。

     如果你还不知道答案,请接着往下看。接下来,我们将在Linux操作系统上,以GCC编译器为例来讲解变量的存储。
     在计算机系统中,目标文件通常有三种形式:
    1. 可重定位的目标文件:包含二进制代码和数据,与其他可重定位目标文件合并起来,创建一个可执行目标文件。
    2. 可执行的目标文件:包含二进制代码和数据,其形式可以被直接拷贝到存储器中并执行
    3. 共享目标文件:一种特殊的可重定位目标文件,即我们通常所说的动(静)态链接库
    一个典型的可重定位目标文件如下图所示:
     高地址
    节头部表
    .strtab
    .line
    .debug
    .rel.data
    .rel.text
    .symtab
    .bss
    >        .data (3)
    .rodata
    >        .textt (1)
    ELF头
    >                                                                        0
    图 1典型的ELF可重定位目标文件(数字代表索引)
     夹在ELF头和节头部表之间的都是节(section),各个节的意思如下:
    含义
    .text
    已编译程序的机器代码
    .rodata
    只读数据,如pintf和switch语句中的字符串和常量值
    .data
    已初始化的全局变量
    .bss
    未初始化的全局变量
    .symtab
    符号表,存放在程序中被定义和引用的函数和全局变量的信息
    .rel.text
    当链接器吧这个目标文件和其他文件结合时,.text节中的信息需修改
    .rel.data
    被模块定义和引用的任何全局变量的信息
    .debug
    一个调试符号表。
    .line
    原始C程序的行号和.text节中机器指令之间的映射
    .strtab
    一个字符串表,其内容包含.systab和.debug节中的符号表
     对于static类型的变量,gcc编译器在.data和.bss中为每个定义分配空间,并在.symtab节中创建一个有唯一名字的本地链接器符号。对于malloc而来的变量存储在堆(heap)中,局部变量都存储在栈(stack)中。
     下面我们以实际的例子来分析变量的存储:
    #include<stdio.h>
    #include<string.h>
    #include<stdlib.h>
     
    int z = 9;
    int a;
    static int b =10;
    static int c;
    void swap(int* x,int* y)
    {
    int temp;
    temp=*x;
    *x=*y;
    *y=temp;
     
    int main()
    {
    int x=4,y=5;
    swap(&x,&y);
    printf(“x=%d,y=%d,z=%d,w=%dn”,x,y,z,b);
    return 0;
    } 
     根据以上题目和理论知识,我们可以推断出:
    变量
    存储区域
    a
    .bss
    b
    .data
    c
    .bss
    x
    stack
    y
    stack
    temp
    stack
    z
    .data
    swap
    .text
    main
    .text
    x=……
    .rodata
     我们将从汇编代码和符号表中来分析以上答案是否正确。我们首先来看该程序的汇编代码:
    >   >    .filee "var.c"
    .globl z
    >       .dataa     #数据段
    >       .align 4
    >       .typee       z, @object
    >       .size z, 4
    z:
    >       .longg       9
    >       .align 4
    >       .typee       b, @object
    >       .size b, 4
    b:
    >       .longg       10
    >       .textt     #代码段
    .globl swap
    >       .typee       swap, @function
    swap:
    >       pushll       %ebp
    >       movll       %esp, %ebp
    >       subl $4, %esp
    >       movll       8(%ebp), %eax
    >       movll       (%eax), %eax
    >       movll       %eax, -4(%ebp)
    >       movll       8(%ebp), %edx
    >       movll       12(%ebp), %eax
    >       movll       (%eax), %eax
    >       movll       %eax, (%edx)
    >       movll       12(%ebp), %edx
    >       movll       -4(%ebp), %eax
    >       movll       %eax, (%edx)
    >       leave
    >       ret
    >       .size swap, .-swap
    >       .sectionn   .rodataa     #只读段
    .LC0:
    >       .stringg     "x=%d,y=%d,z=%d,w=%dn"
    >       .textt           #代码段
    .globl main
    >       .typee       main, @function
    main:
    >       pushll       %ebp
    >       movll       %esp, %ebp
    >       subl $40, %esp
    >       andl $-16, %esp
    >       movll       $0, %eax
    >       subl %eax, %esp
    >       movll       $4, -4(%ebp)
    >       movll       $5, -8(%ebp)
    >       leall   -8(%ebp), %eax
    >       movll       %eax, 4(%esp)
    >       leall   -4(%ebp), %eax
    >       movll       %eax, (%esp)
    >       calll swap
    >       movll       b, %eax
    >       movll       %eax, 16(%esp)
    >       movll       z, %eax
    >       movll       %eax, 12(%esp)
    >       movll       -8(%ebp), %eax
    >       movll       %eax, 8(%esp)
    >       movll       -4(%ebp), %eax
    >       movll       %eax, 4(%esp)
    >       movll       $.LC0, (%esp)
    >       calll printf
    >       movll       $0, %eax
    >       leave
    >       ret
    >       .size main, .-main
    >       .commm    a,4,4
    >       .locall       c
    >       .commm    c,4,4
    >       .sectionn   .note.GNU-stack,"",@progbits
    >       .identt      "GCC: (GNU) 3.3.5 (Debian 1:3.3.5-13)"
     通过以上汇编代码可以发现,z和b在.data段,main和swap在.text段,a和c在.bss段,x,y,temp在stack中,printf函数所打印的字符串在.rodata中。
     下面我们在通过符号表来解释变量的存储。
     每个可重定位目标文件都有一个符号表,它包含该文件所定义和引用的符号的信息。在链接器的上下文中,有三种不同的符号:
    1. 由该文件定义并能被其他模块引用的全局符号。即非静态的C函数和非静态的全局变量,如程序中的a,z,swap。
    2. 由其他模块定义并被该文件引用的全局符号。用extern关键字所定义的变量和函数。
    3. 只被该文件定义和引用的本地符号。用static关键字定义的函数和变量。如程序中的b和c。
    该程序所对应的符号表如图所示:
    图 2符号表
    首先,我们解释上图中各字段的含义:
    字段名
    含义
    Num
    序号
    Value
    符号地址。
    可重定位目标文件:距定义目标文件的节的起始位置的偏移
    可执行目标文件:一个绝对运行的地址
    Size
    目标的大小
    Type
    要么是数据,要么是函数,或各个节的表目
    Bind
    符号是全局的还是本地的
    Vis
    目前还没有查到资料,待以后改正
    Ndx
    通过索引来表示每个节
    ABS:不该被重定位的符号
    UND:代表未定义的符号(在其他地方定义)
    COM:未初始化的数据目标
    Name
    指向符号的名字
     对 于变量b和z,Ndx索引为3,我们观察图1,不难发现索引3对应的是.data段。变量c对应的索引为4(.bss段),变量a对应的索引是COM,最 终当该程序被链接时,它将做为一个.bss目标分配。我们从反汇编代码中,对于变量a和c都是.comm(反汇编代码中以“.”开头的行,是指导汇编器和 链接器运行的命令):
    >        ……
     .commm    a,4,4
    >       .locall       c
    >       .commm    c,4,4
    >       ……
    注 意:a所对应的Bind为GLOBAL,即为全局变量,虽然变量c也在.bss段中,但Bind却是LOCAL,则为本地变量。.data段中的变量b和 c也是类似的情况。swap和main都在索引1所对应的.text段中。由于printf是在库中所定义的,所以索引为UND。
     符号表中不包含对应于本地非静态程序变量中的任何符号。这些符号是在栈中被管理的,所以符号表中没有出现x,y,temp符号。
     相信大家读完这篇文章以后,再也用不着对类似的题目胆战心惊了。

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    大内高手全局内存

     

    转载时请注明出处和作者联系方式:http://blog.csdn.net/absurd

    作者联系方式:李先静 <xianjimli at hotmail dot com>

    更新时间:2007-7-9

    有 人可能会说,全局内存就是全局变量嘛,有必要专门一章来介绍吗?这么简单的东西,还能玩出花来?我从来没有深究它,不一样写程序吗?关于全局内存这个主题 虽然玩不出花来,但确实有些重要,了解这些知识,对于优化程序的时间和空间很有帮助。因为有好几次这样经历,我才决定花一章篇幅来介绍它。

     

    正如大家所知道的,全局变量是放在全局内存中的,但反过来却未必成立。用static修饰的局部变量就是放在放全局内存的,它的作用域是局部的,但生命期是全局的。在有的嵌入式平台中,堆实际上就是一个全局变量,它占用相当大的一块内存,在运行时,把这块内存进行二次分配。

     

    这里我们并不强调全局变量和全局内存的差别。在本文中,全局强调的是它的生命期,而不是它的作用域,所以有时可能把两者的概念互换。

     

    一般来说,在一起定义的两个全局变量,在内存的中位置是相邻的。这是一个简单的常识,但有时挺有用,如果一个全局变量被破坏了,不防先查查其前后相关变量的访问代码,看看是否存在越界访问的可能。

     

    ELF格式的可执行文件中,全局内存包括三种:bssdatarodata。其它可执行文件格式与之类似。了解了这三种数据的特点,我们才能充分发挥它们的长处,达到速度与空间的最优化。

     

    1.         bss

    已经记不清bss代表Block Storage Start还是Block Started by Symbol。像这我这种没有用过那些史前计算机的人,终究无法明白这样怪异的名字,也就记不住了。不过没有关系,重要的是,我们要清楚bss全局变量有什么样特点,以及如何利用它。

     

    通俗的说,bss是指那些没有初始化的和初始化为0的全局变量。它有什么特点呢,让我们来看看一个小程序的表现。

    int bss_array[1024 * 1024] = {0};

     

    int main(int argccharargv[])

    {

        return 0;

    }

    [root@localhost bss]# gcc -g bss.c -o bss.exe

    [root@localhost bss]# ll

    total 12

    -rw-r--r-- 1 root root   84 Jun 22 14:32 bss.c

    -rwxr-xr-x 1 root root 5683 Jun 22 14:32 bss.exe

     

    变量bss_array的大小为4M,而可执行文件的大小只有5K 由此可见,bss类型的全局变量只占运行时的内存空间,而不占文件空间。

     

    另外,大多数操作系统,在加载程序时,会把所有的bss全局变量全部清零,无需要你手工去清零。但为保证程序的可移植性,手工把这些变量初始化为0也是一个好习惯。

     

    2.         data

    bss相比,data就容易明白多了,它的名字就暗示着里面存放着数据。当然,如果数据全是零,为了优化考虑,编译器把它当作bss处理。通俗的说,data指那些初始化过(非零)的非const的全局变量。它有什么特点呢,我们还是来看看一个小程序的表现。

    int data_array[1024 * 1024] = {1};

     

    int main(int argccharargv[])

    {

        return 0;

    }

     

    [root@localhost data]# gcc -g data.c -o data.exe

    [root@localhost data]# ll

    total 4112

    -rw-r--r-- 1 root root      85 Jun 22 14:35 data.c

    -rwxr-xr-x 1 root root 4200025 Jun 22 14:35 data.exe

     

    仅仅是把初始化的值改为非零了,文件就变为4M多。由此可见,data类型的全局变量是即占文件空间,又占用运行时内存空间的。

     

    3.         rodata

    rodata的意义同样明显,ro代表read only,即只读数据(const)。关于rodata类型的数据,要注意以下几点:

    l         常量不一定就放在rodata里,有的立即数直接编码在指令里,存放在代码段(.text)中。

    l         对于字符串常量,编译器会自动去掉重复的字符串,保证一个字符串在一个可执行文件(EXE/SO)中只存在一份拷贝。

    l         rodata是在多个进程间是共享的,这可以提高空间利用率。

    l         在有的嵌入式系统中,rodata放在ROM(norflash)里,运行时直接读取ROM内存,无需要加载到RAM内存中。

    l         在嵌入式linux系统中,通过一种叫作XIP(就地执行)的技术,也可以直接读取,而无需要加载到RAM内存中。

     

    由此可见,把在运行过程中不会改变的数据设为rodata类型的,是有很多好处的:在多个进程间共享,可以大大提高空间利用率,甚至不占用RAM空间。同时由于rodata在只读的内存页面(page)中,是受保护的,任何试图对它的修改都会被及时发现,这可以帮助提高程序的稳定性。

     

    4.         变量与关键字

    static关键字用途太多,以致于让新手模糊。不过,总结起来就有两种作用,改变生命期限制作用域。如:

    l         修饰inline函数:限制作用域

    l         修饰普通函数:限制作用域

    l         修饰局部变量:改变生命期

    l         修饰全局变量:限制作用域

     

    const 关键字倒是比较明了,用const修饰的变量放在rodata里,字符串默认就是常量。对const,注意以下几点就行了。

    l         指针常量:指向的数据是常量。如 const char* p = “abc”; p指向的内容是常量 ,但p本身不是常量,你可以让p再指向”123”

    l         常量指针:指针本身是常量。如:char* const p = “abc”; p本身就是常量,你不能让p再指向”123”

    l         指针常量 + 常量指针:指针和指针指向的数据都是常量。const char* const p =”abc”; 两者都是常量,不能再修改。

     

    violatile关键字通常用来修饰多线程共享的全局变量和IO内存。告诉编译器,不要把此类变量优化到寄存器中,每次都要老老实实的从内存中读取,因为它们随时都可能变化。这个关键字可能比较生僻,但千万不要忘了它,否则一个错误让你调试好几天也得不到一点线索。

     

    转自:http://blog.163.com/zhqh43@126/blog/static/404330272007102012451957/

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