C++编译过程与内存空间



为什么须要知道C/C++的内存布局和在哪能够能够找到想要的数据？知道内存布局对调试程序很有帮助，能够知道程序运行时，究竟做了什么，有助于写出干净的代码。本文的主要内容例如以下：

• 源文件转换为可运行文件
• 可运行程序组成及内存布局
• 数据存储类别
• 一个实例
• 总结

源文件转换为可运行文件

源文件经过下面几步生成可运行文件：

• 1、预处理（preprocessor）：对#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等进行处理
• 2、编译（compiler）：将源代码编译为汇编代码
• 3、汇编（assembler）：将汇编代码汇编为目标代码
• 4、链接（linker）：将目标代码链接为可运行文件

编译器和汇编器创建的目标文件包括：二进制代码（指令）、源代码中的数据；链接器将多个目标文件链接成一个；装载器吧目标文件载入到内存。

图1
源文件到可运行文件的步骤

可运行程序组成及内存布局

通过上面的小节，我们知道将源程序转换为可运行程序的步骤。典型的可运行文件分为两部分：

• 代码段（Code），由机器指令组成。该部分是不可改的，编译之后就不再改变，放置在文本段（.text）。
• 数据段（Data），它由下面几部分组：
• • 常量（constant），通常放置在仅仅读read-only的文本段（.text）
  • 静态数据（static
    data），初始化的放置在数据段（.data）；未初始化的放置在（.bss，Block
    Started by Symbol，BSS段的变量仅仅有名称和大小却没有值）
  • 动态数据（dynamic
    data），这些数据存储在堆（heap）或栈（stack）

源程序编译后链接到一个以0地址为始地址的线性或多维虚拟地址空间。并且每一个进程都拥有这样一个空间，每一个指令和数据都在这个虚拟地址空间拥有确定的地址，把这个地址称为虚拟地址（Virtual
Address）。将进程中的目标代码、数据等的虚拟地址组成的虚拟空间称为虚拟存储器（Virtual Memory）。典型的虚拟存储器中有类似的布局：

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

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQv/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/Center" alt="">

图2
进程内存布局

当进程被创建时，内核为其提供一块物理内存。将虚拟内存映射到物理内存。这些都是由操作系统来做的。

数据存储类别

讨论C/C++中的内存布局。不得不提的是数据的存储类别！

数据在内存中的位置取决于它的存储类别。一个对象是内存的一个位置。解析这个对象依赖于两个属性：存储类别、数据类型。

• 存储类别决定对象在内存中的生命周期。

• 数据类型决定对象值的意义，在内存中占多大空间。

C/C++中由（auto、
extern、 register、 static）存储类别和对象声明的上下文决定它的存储类别。

1、自己主动对象（automatic
objects）

auto和register将声明的对象指定为自己主动存储类别。他们的作用域是局部的，诸如一个函数内，一个代码块{***}内等。

操作了作用域，对象会被销毁。

• 在一个代码块中声明一个对象。假设没有运行auto，那么默认是自己主动存储类别。
• 声明为register的对象是自己主动存储类别，存储在计算机的高速寄存器中。

  不能够对register对象做取值操作“&”。

2、静态对象（static
objects）

静态对象能够局部的，也能够是全局的。静态对象一直保持它的值。比如进入一个函数，函数中的静态对象仍保持上次调用时的值。包括静态对象的函数不是线程安全的、不可重入的，正是由于它具有“记忆”功能。

• 局部对象声明为静态之后，将改变它在内存中保存的位置，由动态数据--->静态数据。即从堆或栈变为数据段或bbs段。
• 全局对象声明为静态之后，而不会改变它在内存中保存的位置，仍然是在数据段或bbs段。可是static将改变它的作用域，即该对象仅在本源文件有效。此相反的keyword是extern。使用extern修饰或者什么都不带的全局对象的作用域是整个程序。

一个实例

以下我们分析一段代码：

[cpp]view
plain
copy

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. int a;
4. static int b;
5. void func(void)
6. {
7. charc;
8. static int d;
9. }
10. int main(void)
11. {
12. int e;
13. int*pi = ( int*)malloc(sizeof(int));
14. func ();
15. func ();
16. free(pi );
17. return(0);
18. }

?

程序中声明的变量a、b、c、d、e、pi的存储类别和生命期例如以下所述：

• a是一个未初始化的全局变量。作用域为整个程序，生命期是整个程序执行期间，在内存的bbs段
• b是一个未初始化的静态全局变量，作用域为本源文件。生命期是整个程序执行期间，在内存的bbs段
• c是一个未初始化的局部变量，作用域为函数func体内。即仅在函数体内可见。生命期也是函数体内。在内存的栈中
• d是一个未初始化的静态局部变量，作用域为函数func体内。即仅在函数体内可见，生命期是整个程序执行期间，在内存的bbs段
• e是一个未初始化的局部变量。作用域为函数main体内。即仅在函数体内可见，生命期是main函数内，在内存的栈中
• pi是一个局部指针，指向堆中的一块内存块，该块的大小为sizeof(int)，pi本身存储在内存的栈中，生命期是main函数内
• 新申请的内存块在堆中，生命期是malloc/free之间

用图表演示样例如以下：

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQv/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/Center" alt="">

图3
样例的内存布局

总结

本文介绍了C/C++中由源程序到可运行文件的步骤，和可运行程序的内存布局，数据存储类别，最后还通过一个样例来说明。可运行程序中的变量在内存中的布局能够总结为例如以下：

• 变量（函数外）：假设未初始化。则存放在BSS段；否则存放在data段
• 变量（函数内）：假设没有指定static修饰符。则存放在栈中；否则同上
• 常量：存放在文本段.text
• 函数參数：存放在栈或寄存器中

内存能够分为下面几段：

• 文本段：包括实际要运行的代码（机器指令）和常量。它一般是共享的。多个实例之间共享文本段。文本段是不可改动的。
• 初始化数据段：包括程序已经初始化的全局变量，.data。
• 未初始化数据段：包括程序未初始化的全局变量。.bbs。

  该段中的变量在运行之前初始化为0或NULL。

• 栈：由系统管理，由高地址向低地址扩展。
• 堆：动态内存，由用户管理。通过malloc/alloc/realloc、new/new[]申请空间。通过free、delete/delete[]释放所申请的
• 空间。由低地址想高地址扩展