C++編譯過程與內存空間

為什麼需要知道C/C++的內存布局和在哪可以可以找到想要的數據？知道內存布局對調試程序非常有幫助，可以知道程序執行時，到底做了什麼，有助於寫出干淨的代碼。本文的主要內容如下：

• 源文件轉換為可執行文件
• 可執行程序組成及內存布局
• 數據存儲類別
• 一個實例
• 總結

  源文件轉換為可執行文件

  源文件經過以下幾步生成可執行文件：

  • 1、預處理（preprocessor）：對#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等進行處理
  • 2、編譯（compiler）：將源碼編譯為匯編代碼
  • 3、匯編（assembler）：將匯編代碼匯編為目標代碼
  • 4、鏈接（linker）：將目標代碼鏈接為可執行文件

    編譯器和匯編器創建的目標文件包含：二進制代碼（指令）、源碼中的數據；鏈接器將多個目標文件鏈接成一個；裝載器吧目標文件加載到內存。

     

    圖1 源文件到可執行文件的步驟

     

    可執行程序組成及內存布局

    通過上面的小節，我們知道將源程序轉換為可執行程序的步驟，典型的可執行文件分為兩部分：

    • 代碼段（Code），由機器指令組成，該部分是不可改的，編譯之後就不再改變，放置在文本段（.text）。
    • 數據段（Data），它由以下幾部分組：
    • • 常量（constant），通常放置在只讀read-only的文本段（.text）
      • 靜態數據（static data），初始化的放置在數據段（.data）；未初始化的放置在（.bss，Block Started by Symbol，BSS段的變量只有名稱和大小卻沒有值）
      • 動態數據（dynamic data），這些數據存儲在堆（heap）或棧（stack）

        源程序編譯後鏈接到一個以0地址為始地址的線性或多維虛擬地址空間。而且每個進程都擁有這樣一個空間，每個指令和數據都在這個虛擬地址空間擁有確定的地址，把這個地址稱為虛擬地址（Virtual Address）。將進程中的目標代碼、數據等的虛擬地址組成的虛擬空間稱為虛擬存儲器（Virtual Memory）。典型的虛擬存儲器中有類似的布局：

        • Text Segment (.text)
        • Initialized Data Segment (.data)
        • Uninitialized Data Segment (.bss)
        • The Stack
        • The Heap

           

           

          圖2 進程內存布局

          當進程被創建時，內核為其提供一塊物理內存，將虛擬內存映射到物理內存，這些都是由操作系統來做的。

          數據存儲類別

          討論C/C++中的內存布局，不得不提的是數據的存儲類別！數據在內存中的位置取決於它的存儲類別。一個對象是內存的一個位置，解析這個對象依賴於兩個屬性：存儲類別、數據類型。

          • 存儲類別決定對象在內存中的生命周期。
          • 數據類型決定對象值的意義，在內存中占多大空間。

            C/C++中由（auto、 extern、 register、 static）存儲類別和對象聲明的上下文決定它的存儲類別。

            1、自動對象（automatic objects）

            auto和register將聲明的對象指定為自動存儲類別。他們的作用域是局部的，諸如一個函數內，一個代碼塊{***}內等。操作了作用域，對象會被銷毀。

            • 在一個代碼塊中聲明一個對象，如果沒有執行auto，那麼默認是自動存儲類別。
            • 聲明為register的對象是自動存儲類別，存儲在計算機的快速寄存器中。不可以對register對象做取值操作“&”。

              2、靜態對象（static objects）

              靜態對象可以局部的，也可以是全局的。靜態對象一直保持它的值，例如進入一個函數，函數中的靜態對象仍保持上次調用時的值。包含靜態對象的函數不是線程安全的、不可重入的，正是因為它具有“記憶”功能。

              • 局部對象聲明為靜態之後，將改變它在內存中保存的位置，由動態數據--->靜態數據，即從堆或棧變為數據段或bbs段。
              • 全局對象聲明為靜態之後，而不會改變它在內存中保存的位置，仍然是在數據段或bbs段。但是static將改變它的作用域，即該對象僅在本源文件有效。此相反的關鍵字是extern，使用extern修飾或者什麼都不帶的全局對象的作用域是整個程序。

                 

                一個實例

                下面我們分析一段代碼：

                 

                1. #include
                2. #include
                3.  
                4. inta;
                5. staticintb;
                6. voidfunc(void)
                7. {
                8. charc;
                9. staticintd;
                10. }
                11. intmain(void)
                12. {
                13. inte;
                14. int*pi=(int*)malloc(sizeof(int));
                15. func();
                16. func();
                17. free(pi);
                18. return(0);
                19. }
                
                

                程序中聲明的變量a、b、c、d、e、pi的存儲類別和生命期如下所述：

                • a是一個未初始化的全局變量，作用域為整個程序，生命期是整個程序運行期間，在內存的bbs段
                • b是一個未初始化的靜態全局變量，作用域為本源文件，生命期是整個程序運行期間，在內存的bbs段
                • c是一個未初始化的局部變量，作用域為函數func體內，即僅在函數體內可見，生命期也是函數體內，在內存的棧中
                • d是一個未初始化的靜態局部變量，作用域為函數func體內，即僅在函數體內可見，生命期是整個程序運行期間，在內存的bbs段
                • e是一個未初始化的局部變量，作用域為函數main體內，即僅在函數體內可見，生命期是main函數內，在內存的棧中
                • pi是一個局部指針，指向堆中的一塊內存塊，該塊的大小為sizeof(int)，pi本身存儲在內存的棧中，生命期是main函數內
                • 新申請的內存塊在堆中，生命期是malloc/free之間

                  用圖表示如下：

                   

                   

                  圖3 例子的內存布局

                   

                  總結

                  本文介紹了C/C++中由源程序到可執行文件的步驟，和可執行程序的內存布局，數據存儲類別，最後還通過一個例子來說明。可執行程序中的變量在內存中的布局可以總結為如下：

                  • 變量（函數外）：如果未初始化，則存放在BSS段；否則存放在data段
                  • 變量（函數內）：如果沒有指定static修飾符，則存放在棧中；否則同上
                  • 常量：存放在文本段.text
                  • 函數參數：存放在棧或寄存器中

                    內存可以分為以下幾段：

                    • 文本段：包含實際要執行的代碼（機器指令）和常量。它通常是共享的，多個實例之間共享文本段。文本段是不可修改的。
                    • 初始化數據段：包含程序已經初始化的全局變量，.data。
                    • 未初始化數據段：包含程序未初始化的全局變量，.bbs。該段中的變量在執行之前初始化為0或NULL。
                    • 棧：由系統管理，由高地址向低地址擴展。
                    • 堆：動態內存，由用戶管理。通過malloc/alloc/realloc、new/new[]申請空間，通過free、delete/delete[]釋放所申請的
                    • 空間。由低地址想高地址擴展
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