C++編譯過程與內存空間



爲何須要知道C/C++的內存佈局和在哪能夠能夠找到想要的數據？知道內存佈局對調試程序很是有幫助，能夠知道程序執行時，到底作了什麼，有助於寫出乾淨的代碼。本文的主要內容以下：

• 源文件轉換爲可執行文件
• 可執行程序組成及內存佈局
• 數據存儲類別
• 一個實例
• 總結

  源文件轉換爲可執行文件

源文件通過如下幾步生成可執行文件：

• 一、預處理（preprocessor）：對#include、#define、#ifdef/#endif、#ifndef/#endif等進行處理
• 二、編譯（compiler）：將源碼編譯爲彙編代碼
• 三、彙編（assembler）：將彙編代碼彙編爲目標代碼
• 四、連接（linker）：將目標代碼連接爲可執行文件

編譯器和彙編器建立的目標文件包含：二進制代碼（指令）、源碼中的數據；連接器將多個目標文件連接成一個；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佈局

經過上面的小節，咱們知道將源程序轉換爲可執行程序的步驟，典型的可執行文件分爲兩部分：

• 代碼段（Code），由機器指令組成，該部分是不可改的，編譯以後就再也不改變，放置在文本段（.text）。
• 數據段（Data），它由如下幾部分組：
• • 常量（constant），一般放置在只讀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）

源程序編譯後連接到一個以0地址爲始地址的線性或多維虛擬地址空間。並且每一個進程都擁有這樣一個空間，每一個指令和數據都在這個虛擬地址空間擁有肯定的地址，把這個地址稱爲虛擬地址（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爲虛擬存儲器（Virtual Memory）。典型的虛擬存儲器中有相似的佈局：

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

圖2 進程內存佈局

當進程被建立時，內核爲其提供一塊物理內存，將虛擬內存映射到物理內存，這些都是由操做系統來作的。

  數據存儲類別

討論C/C++中的內存佈局，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週期。
• 數據類型決定對象值的意義，在內存中佔多大空間。

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。

  一、自動對象（automatic objects）

auto和register將聲明的對象指定爲自動存儲類別。他們的做用域是局部的，諸如一個函數內，一個代碼塊{***}內等。操做了做用域，對象會被銷燬。

• 在一個代碼塊中聲明一個對象，若是沒有執行auto，那麼默認是自動存儲類別。
• 聲明爲register的對象是自動存儲類別，存儲在計算機的快速寄存器中。不能夠對register對象作取值操做「&」。

  二、靜態對象（static objects）

靜態對象能夠局部的，也能夠是全局的。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，正是由於它具備「記憶」功能。

• 局部對象聲明爲靜態以後，將改變它在內存中保存的位置，由動態數據--->靜態數據，即從堆或棧變爲數據段或bbs段。
• 全局對象聲明爲靜態以後，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。可是static將改變它的做用域，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做用域是整個程序。

 

  一個實例

下面咱們分析一段代碼：

 

[cpp] view plain copy

1. #include <stdio.h>  
2. #include <stdlib.h>  
3.    
4. int a;  
5. static int b;  
6. void func(void)  
7. {  
8.     charc;  
9.     static int d;  
10. }  
11. int main(void)  
12. {  
13.     int e;  
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以下所述：

• a是一個未初始化的全局變量，做用域爲整個程序，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，做用域爲本源文件，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，做用域爲函數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，做用域爲函數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，做用域爲函數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，該塊的大小爲sizeof(int)，pi自己存儲在內存的棧中，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

用圖表示以下：

圖3 例子的內存佈局

 

  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佈局，數據存儲類別，最後還經過一個例子來講明。可執行程序中的變量在內存中的佈局能夠總結爲以下：

• 變量（函數外）：若是未初始化，則存放在BSS段；不然存放在data段
• 變量（函數內）：若是沒有指定static修飾符，則存放在棧中；不然同上
• 常量：存放在文本段.text
• 函數參數：存放在棧或寄存器中

內存能夠分爲如下幾段：

• 文本段：包含實際要執行的代碼（機器指令）和常量。它一般是共享的，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以前初始化爲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。經過malloc/alloc/realloc、new/new[]申請空間，經過free、delete/delete[]釋放所申請的
• 空間。由低地址想高地址擴展