程序的不同段的區別和作用

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一.

在學習之前我們先看看ELF文件。


ELF分爲三種類型:.o 可重定位文件(relocalble file),可執行文件以及共享庫(shared library),三種格式基本上從結構上是一樣的,只是具體到每一個結構不同。下面我們就從整體上看看這3種格式從文件內容上存儲的方式,spec上有張圖是比較經典的:如上圖:
 其實從文件存儲的格式來說,上面的兩種view實際上是一樣的,Segment實際上就是由section組成的,將相應的一些section映射到一起就叫segment了,就是說segment是由0個或多個section組成的,實際上本質都是section。在這裏我們首先來仔細瞭解一下section和segment的概念:section就是相同或者相似信息的集合,比如我們比較熟悉的.text .data  .bss section,.text是可執行指令的集合,.data是初始化後數據的集合,.bss是未初始化數據的集合。實際上我們也可以將一個程序的所有內容都放在一起,就像dos一樣,但是將可執行程序分成多個section是很有好處的,比如說我們可以將.text section放在memory的只讀空間內,將可變的.data section放在memory的可寫空間內。

從可執行文件的角度來講,如果一個數據未被初始化那就不需要爲其分配空間,所以.data和.bss一個重要的區別就是.bss並不佔用可執行文件的大小,它只是記載需要多少空間來存儲這些未初始化數據,而不分配實際的空間。

可以通過命令 $ readelf -l a.out 查看文件的格式和組成。

二.

站在彙編語言的角度,一個程序分爲:
數據段 -- DS
堆棧段 -- SS
代碼段 -- CS
擴展段 -- ES

站在高級語言的角度,根據APUE,一個程序分爲如下段:
text
data (initialized)
bss
stack
heap

        1.一般情況下,一個可執行二進制程序(更確切的說,在Linux操作系統下爲一個進程單元,在UC/OSII中被稱爲任務)在存儲(沒有調入到內存運行)時擁有3個部分,分別是代碼段(text)、數據段(data)和BSS段。這3個部分一起組成了該可執行程序的文件

可執行二進制程序 = 代碼段(text)+數據段(data)+BSS段

        2.而當程序被加載到內存單元時,則需要另外兩個域:堆域和棧域。圖1-1所示爲可執行代碼存儲態運行態的結構對照圖。一個正在運行的C程序佔用的內存區域分爲代碼段、初始化數據段、未初始化數據段(BSS)、堆、棧5個部分。

正在運行的C程序 = 代碼段+初始化數據段(data)+未初始化數據段(BSS)+堆+棧

       3.在將應用程序加載到內存空間執行時,操作系統負責代碼段、數據段和BSS段的加載,並將在內存中爲這些段分配空間。棧亦由操作系統分配和管理,而不需要程序員顯示地管理;堆段由程序員自己管理,即顯示地申請和釋放空間。

          4.動態分配與靜態分配,二者最大的區別在於:1. 直到Run-Time的時候,執行動態分配,而在compile-time的時候,就已經決定好了分配多少Text+Data+BSS+Stack2.通過malloc()動態分配的內存,需要程序員手工調用free()釋放內存,否則容易導致內存泄露,而靜態分配的內存則在進程執行結束後系統釋放(Text, Data), Stack段中的數據很短暫,函數退出立即被銷燬。



 圖1-1從可執行文件a.out的角度來講,如果一個數據未被初始化那就不需要爲其分配空間,所以.data和.bss一個重要的區別就是.bss並不佔用可執行文件的大小,它只是記載需要多少空間來存儲這些未初始化數據,而不分配實際的空間

三.

代碼段 --textcode segment/text segment)
text段在內存中被映射爲只讀,但.data和.bss是可寫的。
text段是程序代碼段,在AT91庫中是表示程序段的大小,它是由編譯器在編譯連接時自動計算的,當你在鏈接定位文件中將該符號放置在代碼段後,那麼該符號表示的值就是代碼段大小,編譯連接時,該符號所代表的值會自動代入到源程序中。

數據段 -- data
data包含靜態初始化的數據,所以有初值的全局變量和static變量在data區。段的起始位置也是由連接定位文件所確定,大小在編譯連接時自動分配,它和你的程序大小沒有關係,但和程序使用到的全局變量,常量數量相關。數據段屬於靜態內存分配。 

bss段--bss
bss是英文Block Started by Symbol的簡稱,通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內存區域,在程序載入時由內核清0。BSS段屬於靜態內存分配。它的初始值也是由用戶自己定義的連接定位文件所確定,用戶應該將它定義在可讀寫的RAM區內,源程序中使用malloc分配的內存就是這一塊,它不是根據data大小確定,主要由程序中同時分配內存最大值所確定,不過如果超出了範圍,也就是分配失敗,可以等空間釋放之後再分配。BSS段屬於靜態內存分配。

stack:
棧(stack)保存函數的局部變量(但不包括static聲明的變量, static 意味着 在數據段中 存放變量),參數以及返回值。是一種“後進先出”(Last In First Out,LIFO)的數據結構,這意味着最後放到棧上的數據,將會是第一個從棧上移走的數據。對於哪些暫時存貯的信息,和不需要長時間保存的信息來說,LIFO這種數據結構非常理想。在調用函數或過程後,系統通常會清除棧上保存的局部變量、函數調用信息及其它的信息。棧另外一個重要的特徵是,它的地址空間“向下減少”,即當棧上保存的數據越多,棧的地址就越低。棧(stack)的頂部在可讀寫的RAM區的最後。

heap:
堆(heap)保存函數內部動態分配內存,是另外一種用來保存程序信息的數據結構,更準確的說是保存程序的動態變量。堆是“先進先出”(First In first Out,FIFO)數據結構。它只允許在堆的一端插入數據,在另一端移走數據。堆的地址空間“向上增加”,即當堆上保存的數據越多,堆的地址就越高。

下圖是APUE中的一個典型C內存空間分佈圖:


所以可以知道傳入的參數,局部變量,都是在棧頂分佈,隨着子函數的增多而向下增長.
函數的調用地址(函數運行代碼),全局變量,靜態變量都是在分配內存的低部存在,而malloc分配的堆則存在於這些內存之上,並向上生長.

舉例1:

  1. #include <stdio h="">  
  2. const int    g_A       = 10;         //代碼段  
  3. int          g_B       = 20;         //數據段  
  4. static int   g_C       = 30;         //數據段  
  5. static int   g_D;                    //BSS段  
  6. int          g_E;                    //BSS段  
  7. char        *p1;                     //BSS段  
  8.   
  9. void main( )  
  10. {  
  11.     int           local_A;            //棧  
  12.     int           local_B;            //棧  
  13.     static int    local_C = 0;        //數據段  
  14.     static int    local_D;            //數據段  
  15.       
  16.     char        *p3 = "123456";     //123456在代碼段,p3在棧上  
  17.   
  18.     p1 = (char *)malloc( 10 );      //堆,分配得來得10字節的區域在堆區  
  19.     strcpy( p1, "123456" );         //123456{post.content}放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向 的"123456"優化成一塊  
  20.   
  21.     printf("hight address\n");  
  22.     printf("-------------棧--------------\n");  
  23.     printf( "棧,    局部變量,                           local_A, addr:0x%08x\n", &local_A );  
  24.     printf( "棧,    局部變量,(後進棧地址相對local_A低)  local_B, addr:0x%08x\n", &local_B );  
  25.     printf("-------------堆--------------\n");  
  26.     printf( "堆,    malloc分配內存,             p1,      addr:0x%08x\n", p1 );  
  27.     printf("------------BSS段------------\n");  
  28.     printf( "BSS段, 全局變量,       未初始化    g_E,     addr:0x%08x\n", &g_E, g_E );      
  29.     printf( "BSS段, 靜態全局變量,   未初始化,   g_D,     addr:0x%08x\n", &g_D );  
  30.     printf( "BSS段, 靜態局部變量,   初始化,     local_C, addr:0x%08x\n", &local_C);  
  31.     printf( "BSS段, 靜態局部變量,   未初始化,   local_D, addr:0x%08x\n", &local_D);  
  32.     printf("-----------數據段------------\n");  
  33.     printf( "數據段,全局變量,       初始化      g_B,     addr:0x%08x\n", &g_B);  
  34.     printf( "數據段,靜態全局變量,   初始化,     g_C,     addr:0x%08x\n", &g_C);  
  35.     printf("-----------代碼段------------\n");  
  36.     printf( "代碼段,全局初始化變量, 只讀const,  g_A,     addr:0x%08x\n\n", &g_A);  
  37.     printf("low address\n");  
  38.     return;  
  39. }  
  40. </stdio>  

運行結果:

  1. hight address  
  2. -------------棧--------------  
  3. 棧,    局部變量,                           local_A, addr:0xffa70c1c  
  4. 棧,    局部變量,(後進棧地址相對local_A低)  local_B, addr:0xffa70c18  
  5. -------------堆--------------  
  6. 堆,    malloc分配內存,             p1,      addr:0x087fe008  
  7. ------------BSS段------------  
  8. BSS段, 全局變量,       未初始化    g_E,     addr:0x08049a64  
  9. BSS段, 靜態全局變量,   未初始化,   g_D,     addr:0x08049a5c  
  10. BSS段, 靜態局部變量,   初始化,     local_C, addr:0x08049a58  
  11. BSS段, 靜態局部變量,   未初始化,   local_D, addr:0x08049a54  
  12. -----------數據段------------  
  13. 數據段,全局變量,       初始化      g_B,     addr:0x08049a44  
  14. 數據段,靜態全局變量,   初始化,     g_C,     addr:0x08049a48  
  15. -----------代碼段------------  
  16. 代碼段,全局初始化變量, 只讀const,  g_A,     addr:0x08048620  
  17.   
  18. low address  

注意:
編譯時需要-g選項,這樣纔可以看elf信息;
readelf -a a.out 

查看這個執行文件的elf信息,摘錄部分如下:重點注意其中data段,text段還要有bss段的地址,然後比較這個地址和上面的運行結果,是否是在elf文件的各個段的地址之內。

  1. Section Headers:  
  2.   [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al  
  3.   [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0  
  4.   [ 1] .interp           PROGBITS        08048114 000114 000013 00   A  0   0  1  
  5.   [ 2] .note.ABI-tag     NOTE            08048128 000128 000020 00   A  0   0  4  
  6.   [ 3] .gnu.hash         GNU_HASH        08048148 000148 000020 04   A  4   0  4  
  7.   [ 4] .dynsym           DYNSYM          08048168 000168 000070 10   A  5   1  4  
  8.   [ 5] .dynstr           STRTAB          080481d8 0001d8 000058 00   A  0   0  1  
  9.   [ 6] .gnu.version      VERSYM          08048230 000230 00000e 02   A  4   0  2  
  10.   [ 7] .gnu.version_r    VERNEED         08048240 000240 000020 00   A  5   1  4  
  11.   [ 8] .rel.dyn          REL             08048260 000260 000008 08   A  4   0  4  
  12.   [ 9] .rel.plt          REL             08048268 000268 000028 08   A  4  11  4  
  13.   [10] .init             PROGBITS        08048290 000290 000017 00  AX  0   0  4  
  14.   [11] .plt              PROGBITS        080482a8 0002a8 000060 04  AX  0   0  4  
  15.   [12] .text             PROGBITS        08048310 000310 0002e8 00  AX  0   0 16  
  16.   [13] .fini             PROGBITS        080485f8 0005f8 00001c 00  AX  0   0  4  
  17.   [14] .rodata           PROGBITS        08048614 000614 000326 00   A  0   0  4  
  18.   [15] .eh_frame         PROGBITS        0804893c 00093c 000004 00   A  0   0  4  
  19.   [16] .ctors            PROGBITS        08049940 000940 000008 00  WA  0   0  4  
  20.   [17] .dtors            PROGBITS        08049948 000948 000008 00  WA  0   0  4  
  21.   [18] .jcr              PROGBITS        08049950 000950 000004 00  WA  0   0  4  
  22.   [19] .dynamic          DYNAMIC         08049954 000954 0000c8 08  WA  5   0  4  
  23.   [20] .got              PROGBITS        08049a1c 000a1c 000004 04  WA  0   0  4  
  24.   [21] .got.plt          PROGBITS        08049a20 000a20 000020 04  WA  0   0  4  
  25.   [22] .data             PROGBITS        08049a40 000a40 00000c 00  WA  0   0  4  
  26.   [23] .bss              NOBITS          08049a4c 000a4c 00001c 00  WA  0   0  4  
  27.   [24] .comment          PROGBITS        00000000 000a4c 000114 00      0   0  1  
  28.   [25] .debug_aranges    PROGBITS        00000000 000b60 000020 00      0   0  1  
  29.   [26] .debug_pubnames   PROGBITS        00000000 000b80 00003a 00      0   0  1  
  30.   [27] .debug_info       PROGBITS        00000000 000bba 0001f4 00      0   0  1  
  31.   [28] .debug_abbrev     PROGBITS        00000000 000dae 00006f 00      0   0  1  
  32.   [29] .debug_line       PROGBITS        00000000 000e1d 000058 00      0   0  1  
  33.   [30] .debug_frame      PROGBITS        00000000 000e78 00003c 00      0   0  4  
  34.   [31] .debug_str        PROGBITS        00000000 000eb4 00000d 00      0   0  1  
  35.   [32] .debug_loc        PROGBITS        00000000 000ec1 000043 00      0   0  1  
  36.   [33] .shstrtab         STRTAB          00000000 000f04 000143 00      0   0  1  
  37.   [34] .symtab           SYMTAB          00000000 0015e8 000560 10     35  60  4  
  38.   [35] .strtab           STRTAB          00000000 001b48 0002ad 00      0   0  1  
  39. Key to Flags:  
  40.   W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)  
  41.   I (info), L (link order), G (group), x (unknown)  
  42.   O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)  

注意靜態變量初始化爲零全局靜態變量初始化爲零的情況,都是存儲在bss段★★★

從上面的elf文件可以看出,

  [23] .bss              NOBITS          08049a4c 000a4c 00001c 00  WA  0   0  4

  [22] .data             PROGBITS    08049a40000a40 00000c 00  WA  0   0  4

  [12] .text             PROGBITS      08048310000310 0002e8 00  AX  0   0 16

但是在結果中顯示: BSS段, 靜態局部變量,   初始化,    local_C, addr:0x08049a58 

 (0x08049a58 大於0x08049a4c 屬於bss段)是初始化的靜態局部變量但是卻屬於bss段,爲什麼?

原因是:local_C是局部靜態變量但是卻初始化爲零。這和沒有初始化,默認是零的情況一樣,都存儲在bss段,如果初始化爲其他的值,那麼local_C這個變量就會存儲在data段。

可執行文件大小由什麼決定?

可執行文件在存儲時分爲代碼段、數據段和BSS段三個部分。

【例一】
程序1:
int ar[30000];
void main()
{
    ......

程序2:
int ar[300000] =  {1, 2, 3, 4, 5, 6 };
void main()
{
    ......

發現程序2編譯之後所得的.exe文件比程序1的要大得多。當下甚爲不解,於是手工編譯了一下,並使用了/FAs編譯選項來查看了一下其各自的.asm,發現在程序1.asm中ar的定義如下:
_BSS SEGMENT
     ?ar@@3PAHA DD 0493e0H DUP (?)    ; ar
_BSS ENDS 
而在程序2.asm中,ar被定義爲:
_DATA SEGMENT
     ?ar@@3PAHA DD 01H     ; ar
                DD 02H
                DD 03H
                ORG $+1199988
_DATA ENDS 
區別很明顯,一個位於.bss段,而另一個位於.data段,兩者的區別在於:全局的未初始化變量存在於.bss段中,具體體現爲一個佔位符;全局的已初始化變量存於.data段中;而函數內的自動變量都在棧上分配空間。

.bss是不佔用.exe文件空間的,其內容由操作系統初始化(清零);而.data卻需要佔用,其內容由程序初始化,因此造成了上述情況。


以上僅僅做爲學習只用!!

參考材料:
C程序內存區域分配(5個段作用)

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