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Binary中.bss、.data和.rodata段的详细介绍

编程开发 江海志 679浏览 0评论

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。

在ELF格式的可执行文件中,全局内存包括三种:bss、data和rodata。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 argc, char* argv[])
{
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
与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 argc, char* argv[])
{
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(如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。

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