大內高手—全局內存
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作者聯繫方式：李先靜 <xianjimli at hotmail dot com>
更新時間：2007-7-9
有 人可能會說，全局內存就是全局變量嘛，有必要專門一章來介紹嗎？這麼簡單的東西，還能玩出花來？我從來沒有深究它，不一樣寫程序嗎？關於全局內存這個主題 雖然玩不出花來，但確實有些重要，瞭解這些知識，對於優化程序的時間和空間很有幫助。因爲有好幾次這樣經歷，我才決定花一章篇幅來介紹它。
正如大家所知道的，全局變量是放在全局內存中的，但反過來卻未必成立。用static修飾的局部變量就是放在放全局內存的，它的作用域是局部的，但生命期是全局的。在有的嵌入式平臺中，堆實際上就是一個全局變量，它佔用相當大的一塊內存，在運行時，把這塊內存進行二次分配。
這裏我們並不強調全局變量和全局內存的差別。在本文中，全局強調的是它的生命期，而不是它的作用域，所以有時可能把兩者的概念互換。
一般來說，在一起定義的兩個全局變量，在內存的中位置是相鄰的。這是一個簡單的常識，但有時挺有用，如果一個全局變量被破壞了，不防先查查其前後相關變量的訪問代碼，看看是否存在越界訪問的可能。
在ELF格式的可執行文件中，全局內存包括三種：bss、data和rodata。其它可執行文件格式與之類似。瞭解了這三種數據的特點，我們才能充分發揮它們的長處，達到速度與空間的最優化。
1. bss
已經記不清bss代表Block Storage Start還是Block Started by Symbol。像這我這種沒有用過那些史前計算機的人，終究無法明白這樣怪異的名字，也就記不住了。不過沒有關係，重要的是，我們要清楚bss全局變量有什麼樣特點，以及如何利用它。
通俗的說，bss是指那些沒有初始化的和初始化爲0的全局變量。它有什麼特點呢，讓我們來看看一個小程序的表現。
| int bss_array[1024 * 1024] = {0};
int main(int argc, char* argv[]) { return 0; } |
[root@localhost bss]# gcc -g bss.c -o bss.exe
[root@localhost bss]# ll
total 12
-rw-r--r-- 1 root root 84 Jun 22 14:32 bss.c
-rwxr-xr-x 1 root root 5683 Jun 22 14:32 bss.exe
變量bss_array的大小爲4M，而可執行文件的大小隻有5K。 由此可見，bss類型的全局變量只佔運行時的內存空間，而不佔文件空間。
另外，大多數操作系統，在加載程序時，會把所有的bss全局變量全部清零，無需要你手工去清零。但爲保證程序的可移植性，手工把這些變量初始化爲0也是一個好習慣。
2. data
與bss相比，data就容易明白多了，它的名字就暗示着裏面存放着數據。當然，如果數據全是零，爲了優化考慮，編譯器把它當作bss處理。通俗的說，data指那些初始化過（非零）的非const的全局變量。它有什麼特點呢，我們還是來看看一個小程序的表現。
| int data_array[1024 * 1024] = {1};
int main(int argc, char* argv[]) { return 0; } |
[root@localhost data]# gcc -g data.c -o data.exe
[root@localhost data]# ll
total 4112
-rw-r--r-- 1 root root 85 Jun 22 14:35 data.c
-rwxr-xr-x 1 root root 4200025 Jun 22 14:35 data.exe
僅僅是把初始化的值改爲非零了，文件就變爲4M多。由此可見，data類型的全局變量是即佔文件空間，又佔用運行時內存空間的。
3. rodata
rodata的意義同樣明顯，ro代表read only，即只讀數據(const)。關於rodata類型的數據，要注意以下幾點：
l 常量不一定就放在rodata裏，有的立即數直接編碼在指令裏，存放在代碼段(.text)中。
l 對於字符串常量，編譯器會自動去掉重複的字符串，保證一個字符串在一個可執行文件(EXE/SO)中只存在一份拷貝。
l rodata是在多個進程間是共享的，這可以提高空間利用率。
l 在有的嵌入式系統中，rodata放在ROM(如norflash)裏，運行時直接讀取ROM內存，無需要加載到RAM內存中。
l 在嵌入式linux系統中，通過一種叫作XIP（就地執行）的技術，也可以直接讀取，而無需要加載到RAM內存中。
由此可見，把在運行過程中不會改變的數據設爲rodata類型的，是有很多好處的：在多個進程間共享，可以大大提高空間利用率，甚至不佔用RAM空間。同時由於rodata在只讀的內存頁面(page)中，是受保護的，任何試圖對它的修改都會被及時發現，這可以幫助提高程序的穩定性。
4. 變量與關鍵字
static關鍵字用途太多，以致於讓新手模糊。不過，總結起來就有兩種作用，改變生命期和限制作用域。如：
l 修飾inline函數：限制作用域
l 修飾普通函數：限制作用域
l 修飾局部變量：改變生命期
l 修飾全局變量：限制作用域
const 關鍵字倒是比較明瞭，用const修飾的變量放在rodata裏，字符串默認就是常量。對const，注意以下幾點就行了。
l 指針常量：指向的數據是常量。如 const char* p = “abc”; p指向的內容是常量 ，但p本身不是常量，你可以讓p再指向”123”。
l 常量指針：指針本身是常量。如：char* const p = “abc”; p本身就是常量，你不能讓p再指向”123”。
l 指針常量 + 常量指針：指針和指針指向的數據都是常量。const char* const p =”abc”; 兩者都是常量，不能再修改。
violatile關鍵字通常用來修飾多線程共享的全局變量和IO內存。告訴編譯器，不要把此類變量優化到寄存器中，每次都要老老實實的從內存中讀取，因爲它們隨時都可能變化。這個關鍵字可能比較生僻，但千萬不要忘了它，否則一個錯誤讓你調試好幾天也得不到一點線索。