深入了解变量！！！
时间：2010-10-19 来源：aaron_xueli
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
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节头部表 |
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.strtab |
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.line |
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.debug |
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.rel.data |
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.rel.text |
|
.symtab |
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.bss |
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.data （3） |
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.rodata |
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.text （1） |
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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：
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节 |
含义 |
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.text |
已编译程序的机器代码 |
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.rodata |
只读数据，如pintf和 switch语句中的字符串和常量值 |
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.data |
已初始化的全局变量 |
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.bss |
未初始化的全局变量 |
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.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 |
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.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 |
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.rel.data |
被模块定义和引用的任何全局 变量的信息 |
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.debug |
一个调试符号表。 |
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.line |
原始C程序的行号 和.text节中机器指令之间的映射 |
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.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=%d\n”,x,y,z,b); return 0; } |
根据以上题目和理论知识，我们可以推断出：
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变量 |
存储区域 |
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a |
.bss |
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b |
.data |
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c |
.bss |
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x |
stack |
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y |
stack |
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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：
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.file "var.c" .globl z .data #数 据段 .align 4 .type z, @object .size z, 4 z: .long 9 .align 4 .type b, @object .size b, 4 b: .long 10 .text #代 码段 .globl swap .type swap, @function swap: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $4, %esp movl 8(%ebp), %eax movl (%eax), %eax movl %eax, -4(%ebp) movl 8(%ebp), %edx movl 12(%ebp), %eax movl (%eax), %eax movl %eax, (%edx) movl 12(%ebp), %edx movl -4(%ebp), %eax movl %eax, (%edx) leave ret .size swap, .-swap .section .rodata #只读段 .LC0: .string "x=%d,y=%d,z=%d,w=%d\n" .text #代码段 .globl main .type main, @function main: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $40, %esp andl $-16, %esp movl $0, %eax subl %eax, %esp movl $4, -4(%ebp) movl $5, -8(%ebp) leal -8(%ebp), %eax movl %eax, 4(%esp) leal -4(%ebp), %eax movl %eax, (%esp) call swap movl b, %eax movl %eax, 16(%esp) movl z, %eax movl %eax, 12(%esp) movl -8(%ebp), %eax movl %eax, 8(%esp) movl -4(%ebp), %eax movl %eax, 4(%esp) movl $.LC0, (%esp) call printf movl $0, %eax leave ret .size main, .-main .comm a,4,4 .local c .comm c,4,4 .section .note.GNU-stack,"",@progbits .ident "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：
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字段名 |
含义 |
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Num |
序号 |
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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 |
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Size |
目标的大小 |
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Type |
要么是数据，要么是函数，或 各个节的表目 |
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Bind |
符号是全局的还是本地的 |
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Vis |
目前还没有查到资料，待以后 改正 |
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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 |
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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）：
|
…… .comm a,4,4 .local c .comm 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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