理解C++变量存储模型

在理解程序内存一文中我们介绍了普通程序运行时在内存中的布局，下面我们专门针对C++源代码以WinDbg为工具分析下C++程序的变量存储模型, 要理解下面的知识，请先看懂理解程序内存一文。

下面我们尝试分析C++变量的存储模型, 我们的测试程序非常简单:

#include <iostream>

using namespace  std;

const char* global_const_string = "hello world";

int global_int = 20;

static int global_static_int = 30;

int main() 

{

static int local_static_int = 100;

int local_int = 200;

int* pValue = new int(300);

cout << global_const_string << global_int 

<< global_static_int << local_static_int 

<< local_int << *pValue;

delete pValue;

system("pause");

return 0;

}

可以看到我们上面对程序虽然简单，但是基本包括了所有的变量类型,包括静态的，常量的，全局的，本地的，还有new出来的，下面我们依次分析每个变量所属的存储区域。

我们直接用WinDbg以源码的方式调试我们的测试程序consoleTest.exe.
首先我们分析下consoleTest.exe模块的起始地址及内部数据节的分布情况, 通过!address命令:

*   400000   401000     1000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_READONLY                      Image "ConsoleTest.exe"

|-  401000   41d000    1c000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_EXECUTE_READ                  Image "ConsoleTest.exe"

|-  41d000   422000     5000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_READONLY                      Image "ConsoleTest.exe"

|-  422000   426000     4000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_WRITECOPY                     Image "ConsoleTest.exe"

|-  426000   427000     1000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_READONLY                      Image "ConsoleTest.exe"

可以看到consoleTest.exe模块在内存中的起始地址是0x400000, 接下来可以通过!dh 0x400000分析它内部的数据节分布, 并且最终我们可以得出如下结论:
地址 400000 - 401000 : PE文件头，属性是只读
地址 401000 - 41d000 : .text, 属性是只读可执行，表示代码节
地址 41d000 -  422000 : .rdata, 属性是只读， 表示只读数据
地址 422000 -  426000 : .data, 属性是写入时拷贝，表示可读写数据
地址 426000 - 427000 : .rsrc, 属性是只读，表示资源节

通过!address -f:stack命令我们可以看到:

0:000> !address -f:stack

  BaseAddr EndAddr+1 RgnSize     Type       State                 Protect             Usage

-------------------------------------------------------------------------------------------

   40000   13d000    fd000 MEM_PRIVATE MEM_RESERVE                                    Stack [8b0.1d0; ~0]

  13d000   13e000     1000 MEM_PRIVATE MEM_COMMIT  PAGE_READWRITE|PAGE_GUARD          Stack [8b0.1d0; ~0]

  13e000   140000     2000 MEM_PRIVATE MEM_COMMIT  PAGE_READWRITE                     Stack [8b0.1d0; ~0]

可以看到我们主线程的堆栈起始地址是: 13e000 - 140000

接下来我们首先分析所有全局变量的存储区域, 通过x consoletest!global*命令，让调试器列出所有在consoletest模块中global开头的调试符号:

0:000> x consoletest!global*
00422000 ConsoleTest!global_const_string = 0x0041d1dc "hello world"
00422004 ConsoleTest!global_int = 0n20
00422008 ConsoleTest!global_static_int = 0n30
004238a0 ConsoleTest!global_locale = 0x00000000

通过分析我们可以看到我们的3个全局变量global_const_string, global_int, global_static_int全都分布在422000 - 426000之间的.data可读写数据节中。
而global_const_string所指向的内容

0x0041d1dc "hello world"

则分布在41d000 -  422000 之间的.rdata只读数据节中，这个结论也符合我们平时关于全局变量存储区域的理解。

下面我们再尝试分析局部变量的存储区域，再main函数内部cout的地方设置断点，然后让程序运行到此， 然后输入dv /t /i /v命令查看所有局部变量, 可以看到

0:000> dv /t /i /v
prv local  0042200c int local_static_int = 0n100
prv local  0013ff70 int local_int = 0n200
prv local  0013ff74 int * pValue = 0x02248ff8

我们可以看到local_static_int也分布在422000 - 426000之间的.data可读写数据节中, 而local_int和pValue则都存储在13e000 - 140000之间的堆栈区域上。

而指针pValue所指向的地址0x02248ff8我们可以通过!address 0x02248ff8命令来分析， 结果是:

0:000> !address 0x02248ff8

Usage:                  Heap
Allocation Base:        021d0000
Base Address:           02248000
End Address:            02249000
Region Size:            00001000
Type:                   00020000    MEM_PRIVATE
State:                  00001000    MEM_COMMIT
Protect:                00000004    PAGE_READWRITE
More info:              !heap -p 0x21d1000
More info:              !heap -p -a 0x2248ff8

可以看到地址0x02248ff8是在堆(heap)上面。

通过上面的分析，我们验证了平时C++书上关于各种类型变量存储区域的假设，简单来说就是全局变量和静态变量会被编译到可执行文件的数据节(分只读和可读写)中, 非静态的局部变量则分配在堆栈(stack)上，而new(malloc)出来的内存则分配在堆(heap)上。