作者：楊小華
我相信大家都有過這樣的經(jīng)歷，在面試過程中，考官通常會給你一道題目，然后問你某個(gè)變量存儲在什么地方，在內(nèi)存中是如何存儲的等等一系列問題。不僅僅是在面試中，學(xué)校里面的考試也會碰到同樣的問題。
如果你還不知道答案，請接著往下看。接下來，我們將在Linux操作系統(tǒng)上，以GCC編譯器為例來講解變量的存儲。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，目標(biāo)文件通常有三種形式：
1. 可重定位的目標(biāo)文件：包含二進(jìn)制代碼和數(shù)據(jù)，與其他可重定位目標(biāo)文件合并起來，創(chuàng)建一個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件。
2. 可執(zhí)行的目標(biāo)文件：包含二進(jìn)制代碼和數(shù)據(jù)，其形式可以被直接拷貝到存儲器中并執(zhí)行
3. 共享目標(biāo)文件：一種特殊的可重定位目標(biāo)文件，即我們通常所說的動(dòng)（靜）態(tài)鏈接庫
一個(gè)典型的可重定位目標(biāo)文件如下圖所示：
高地址
節(jié)頭部表
.strtab
.line
.debug
.rel.data
.rel.text
.symtab
.bss
.data （3）
.rodata
.text （1）
ELF頭
0
圖 1典型的ELF可重定位目標(biāo)文件（數(shù)字代表索引）
夾在ELF頭和節(jié)頭部表之間的都是節(jié)（section），各個(gè)節(jié)的意思如下：
節(jié)
含義
.text
已編譯程序的機(jī)器代碼
.rodata
只讀數(shù)據(jù)，如pintf和switch語句中的字符串和常量值
.data
已初始化的全局變量
.bss
未初始化的全局變量
.symtab
符號表，存放在程序中被定義和引用的函數(shù)和全局變量的信息
.rel.text
當(dāng)鏈接器吧這個(gè)目標(biāo)文件和其他文件結(jié)合時(shí)，.text節(jié)中的信息需修改
.rel.data
被模塊定義和引用的任何全局變量的信息
.debug
一個(gè)調(diào)試符號表。
.line
原始C程序的行號和.text節(jié)中機(jī)器指令之間的映射
.strtab
一個(gè)字符串表，其內(nèi)容包含.systab和.debug節(jié)中的符號表
對于static類型的變量，gcc編譯器在.data和.bss中為每個(gè)定義分配空間，并在.symtab節(jié)中創(chuàng)建一個(gè)有唯一名字的本地鏈接器符號。對于malloc而來的變量存儲在堆（heap）中，局部變量都存儲在棧（stack）中。
下面我們以實(shí)際的例子來分析變量的存儲：
#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;
}
根據(jù)以上題目和理論知識，我們可以推斷出：
變量
存儲區(qū)域
a
.bss
b
.data
c
.bss
x
stack
y
stack
temp
stack
z
.data
swap
.text
main
.text
x=……
.rodata
我們將從匯編代碼和符號表中來分析以上答案是否正確。我們首先來看該程序的匯編代碼：
.file "var.c"
.globl z
.data #數(shù)據(jù)段
.align 4
.type z, @object
.size z, 4
z:
.long 9
.align 4
.type b, @object
.size b, 4
b:
.long 10
.text #代碼段
.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 #只讀段
.LC0:
.string "x=%d,y=%d,z=%d,w=%d\n"
.text #代碼段
.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)"
通過以上匯編代碼可以發(fā)現(xiàn)，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函數(shù)所打印的字符串在.rodata中。
下面我們在通過符號表來解釋變量的存儲。
每個(gè)可重定位目標(biāo)文件都有一個(gè)符號表，它包含該文件所定義和引用的符號的信息。在鏈接器的上下文中，有三種不同的符號：
1. 由該文件定義并能被其他模塊引用的全局符號。即非靜態(tài)的C函數(shù)和非靜態(tài)的全局變量，如程序中的a,z,swap。
2. 由其他模塊定義并被該文件引用的全局符號。用extern關(guān)鍵字所定義的變量和函數(shù)。
3. 只被該文件定義和引用的本地符號。用static關(guān)鍵字定義的函數(shù)和變量。如程序中的b和c。
該程序所對應(yīng)的符號表如圖所示：
圖 2符號表
首先，我們解釋上圖中各字段的含義：
字段名
含義
Num
序號
Value
符號地址。
可重定位目標(biāo)文件：距定義目標(biāo)文件的節(jié)的起始位置的偏移
可執(zhí)行目標(biāo)文件：一個(gè)絕對運(yùn)行的地址
Size
目標(biāo)的大小
Type
要么是數(shù)據(jù)，要么是函數(shù)，或各個(gè)節(jié)的表目
Bind
符號是全局的還是本地的
Vis
目前還沒有查到資料，待以后改正
Ndx
通過索引來表示每個(gè)節(jié)
ABS：不該被重定位的符號
UND：代表未定義的符號（在其他地方定義）
COM：未初始化的數(shù)據(jù)目標(biāo)
Name
指向符號的名字
對于變量b和z，Ndx索引為3，我們觀察圖1，不難發(fā)現(xiàn)索引3對應(yīng)的是.data段。變量c對應(yīng)的索引為4（.bss段），變量a對應(yīng)的索引是COM，最終當(dāng)該程序被鏈接時(shí)，它將做為一個(gè).bss目標(biāo)分配。我們從反匯編代碼中，對于變量a和c都是.comm（反匯編代碼中以“.”開頭的行，是指導(dǎo)匯編器和鏈接器運(yùn)行的命令）：
……
.comm a,4,4
.local c
.comm c,4,4
……
注意：a所對應(yīng)的Bind為GLOBAL，即為全局變量，雖然變量c也在.bss段中，但Bind卻是LOCAL，則為本地變量。.data段中的變量b和c也是類似的情況。swap和main都在索引1所對應(yīng)的.text段中。由于printf是在庫中所定義的，所以索引為UND。
符號表中不包含對應(yīng)于本地非靜態(tài)程序變量中的任何符號。這些符號是在棧中被管理的，所以符號表中沒有出現(xiàn)x,y,temp符號。
相信大家讀完這篇文章以后，再也用不著對類似的題目膽戰(zhàn)心驚了。
