大内高手—全局内存

大内高手—全局内存

 

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作者联系方式：李先静

更新时间：2007-7-9

有人可能会说，全局内存就是全局变量嘛，有必要专门一章来介绍吗？这么简单的东西，还能玩出花来？我从来没有深究它，不一样写程序吗？关于全局内存这个主题虽然玩不出花来，但确实有些重要，了解这些知识，对于优化程序的时间和空间很有帮助。因为有好几次这样经历，我才决定花一章篇幅来介绍它。

 

正如大家所知道的，全局变量是放在全局内存中的，但反过来却未必成立。用static修饰的局部变量就是放在放全局内存的，它的作用域是局部的，但生命期是全局的。在有的嵌入式平台中，堆实际上就是一个全局变量，它占用相当大的一块内存，在运行时，把这块内存进行二次分配。

 

这里我们并不强调全局变量和全局内存的差别。在本文中，全局强调的是它的生命期，而不是它的作用域，所以有时可能把两者的概念互换。

 

一般来说，在一起定义的两个全局变量，在内存的中位置是相邻的。这是一个简单的常识，但有时挺有用，如果一个全局变量被破坏了，不防先查查其前后相关变量的访问代码，看看是否存在越界访问的可能。

 

在ELF格式的可执行文件中，全局内存包括三种：bss、data和rodata。其它可执行文件格式与之类似。了解了这三种数据的特点，我们才能充分发挥它们的长处，达到速度与空间的最优化。

 

1.         bss

已经记不清bss代表Block Storage Start还是Block Started by Symbol。像这我这种没有用过那些史前计算机的人，终究无法明白这样怪异的名字，也就记不住了。不过没有关系，重要的是，我们要清楚bss全局变量有什么样特点，以及如何利用它。

 

通俗的说，bss是指那些没有初始化的和初始化为0的全局变量。它有什么特点呢，让我们来看看一个小程序的表现。

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

 

变量bss_array的大小为4M，而可执行文件的大小只有5K。 由此可见，bss类型的全局变量只占运行时的内存空间，而不占文件空间。

 

另外，大多数操作系统，在加载程序时，会把所有的bss全局变量全部清零，无需要你手工去清零。但为保证程序的可移植性，手工把这些变量初始化为0也是一个好习惯。

 

2.         data

与bss相比，data就容易明白多了，它的名字就暗示着里面存放着数据。当然，如果数据全是零，为了优化考虑，编译器把它当作bss处理。通俗的说，data指那些初始化过（非零）的非const的全局变量。它有什么特点呢，我们还是来看看一个小程序的表现。

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

 

仅仅是把初始化的值改为非零了，文件就变为4M多。由此可见，data类型的全局变量是即占文件空间，又占用运行时内存空间的。

 

3.         rodata

rodata的意义同样明显，ro代表read only，即只读数据(const)。关于rodata类型的数据，要注意以下几点：

l         常量不一定就放在rodata里，有的立即数直接编码在指令里，存放在代码段(.text)中。

l         对于字符串常量，编译器会自动去掉重复的字符串，保证一个字符串在一个可执行文件(EXE/SO)中只存在一份拷贝。

l         rodata是在多个进程间是共享的，这可以提高空间利用率。

l         在有的嵌入式系统中，rodata放在ROM(如norflash)里，运行时直接读取ROM内存，无需要加载到RAM内存中。

l         在嵌入式linux系统中，通过一种叫作XIP（就地执行）的技术，也可以直接读取，而无需要加载到RAM内存中。

 

由此可见，把在运行过程中不会改变的数据设为rodata类型的，是有很多好处的：在多个进程间共享，可以大大提高空间利用率，甚至不占用RAM空间。同时由于rodata在只读的内存页面(page)中，是受保护的，任何试图对它的修改都会被及时发现，这可以帮助提高程序的稳定性。

 

4.         变量与关键字

static关键字用途太多，以致于让新手模糊。不过，总结起来就有两种作用，改变生命期和限制作用域。如：

l         修饰inline函数：限制作用域

l         修饰普通函数：限制作用域

l         修饰局部变量：改变生命期

l         修饰全局变量：限制作用域

 

const 关键字倒是比较明了，用const修饰的变量放在rodata里，字符串默认就是常量。对const，注意以下几点就行了。

l         指针常量：指向的数据是常量。如 const char* p = “abc”; p指向的内容是常量 ，但p本身不是常量，你可以让p再指向”123”。

l         常量指针：指针本身是常量。如：char* const p = “abc”; p本身就是常量，你不能让p再指向”123”。

l         指针常量 + 常量指针：指针和指针指向的数据都是常量。const char* const p =”abc”; 两者都是常量，不能再修改。

 

violatile关键字通常用来修饰多线程共享的全局变量和IO内存。告诉编译器，不要把此类变量优化到寄存器中，每次都要老老实实的从内存中读取，因为它们随时都可能变化。这个关键字可能比较生僻，但千万不要忘了它，否则一个错误让你调试好几天也得不到一点线索。