你的变量究竟存储在什么地方？

作者：杨小华

       我相信大家都有过这样的经历，在面试过程中，考官通常会给你一道题目，然后问你某个变量存储在什么地方，在内存中是如何存储的等等一系列问题。不仅仅是在面试中，学校里面的考试也会碰到同样的问题。

       如果你还不知道答案，请接着往下看。接下来，我们将在Linux操作系统上，以GCC编译器为例来讲解变量的存储。

       在计算机系统中，目标文件通常有三种形式：

1.         可重定位的目标文件：包含二进制代码和数据，与其他可重定位目标文件合并起来，创建一个可执行目标文件。

2.         可执行的目标文件：包含二进制代码和数据，其形式可以被直接拷贝到存储器中并执行

3.         共享目标文件：一种特殊的可重定位目标文件，即我们通常所说的动（静）态链接库

一个典型的可重定位目标文件如下图所示：

                                                               高地址

节头部表

.strtab

.line

.debug

.rel.data

.rel.text

.symtab

.bss

        .data （3）

.rodata

        .text （1）

ELF头

                                                                        0

图 1典型的ELF可重定位目标文件（数字代表索引）

       夹在ELF头和节头部表之间的都是节（section），各个节的意思如下：

节	含义
.text	已编译程序的机器代码
.rodata	只读数据，如pintf和switch语句中的字符串和常量值
.data	已初始化的全局变量
.bss	未初始化的全局变量
.symtab	符号表，存放在程序中被定义和引用的函数和全局变量的信息
.rel.text	当链接器吧这个目标文件和其他文件结合时，.text节中的信息需修改
.rel.data	被模块定义和引用的任何全局变量的信息
.debug	一个调试符号表。
.line	原始C程序的行号和.text节中机器指令之间的映射
.strtab	一个字符串表，其内容包含.systab和.debug节中的符号表

      
对于static类型的变量，gcc编译器在.data和.bss中为每个定义分配空间，并在.symtab节中创建一个有唯一名字的本地链接器符号。对于malloc而来的变量存储在堆（heap）中，局部变量都存储在栈（stack）中。
      
下面我们以实际的例子来分析变量的存储：

#include

#include

#include

 

int z = 9;

int a;

static int b =10;

static int c;

void swap(int* x,int* y)

{

int temp;

temp=*x;

*x=*y;

*y=temp;

}  

 

int main()

{

int x=4,y=5;

swap(&x,&y);

printf(“x=%d,y=%d,z=%d,w=%d\n”,x,y,z,b);

return 0;

}   

      
根据以上题目和理论知识，我们可以推断出：

变量	存储区域
a	.bss
b	.data
c	.bss
x	stack
y	stack
temp	stack
z	.data
swap	.text
main	.text
x=……	.rodata

      
我们将从汇编代码和符号表中来分析以上答案是否正确。我们首先来看该程序的汇编代码：

       .file "var.c"

.globl z

       .data     #数据段

       .align 4

       .type       z, @object

       .size z, 4

z:

       .long       9

       .align 4

       .type       b, @object

       .size b, 4

b:

       .long       10

       .text     #代码段

.globl swap

       .type       swap, @function

swap:

       pushl       %ebp

       movl       %esp, %ebp

       subl $4, %esp

       movl       8(%ebp), %eax

       movl       (%eax), %eax

       movl       %eax, -4(%ebp)

       movl       8(%ebp), %edx

       movl       12(%ebp), %eax

       movl       (%eax), %eax

       movl       %eax, (%edx)

       movl       12(%ebp), %edx

       movl       -4(%ebp), %eax

       movl       %eax, (%edx)

       leave

       ret

       .size swap, .-swap

       .section   .rodata     #只读段

.LC0:

       .string     "x=%d,y=%d,z=%d,w=%d\n"

       .text           #代码段

.globl main

       .type       main, @function

main:

       pushl       %ebp

       movl       %esp, %ebp

       subl $40, %esp

       andl $-16, %esp

       movl       $0, %eax

       subl %eax, %esp

       movl       $4, -4(%ebp)

       movl       $5, -8(%ebp)

       leal   -8(%ebp), %eax

       movl       %eax, 4(%esp)

       leal   -4(%ebp), %eax

       movl       %eax, (%esp)

       call swap

       movl       b, %eax

       movl       %eax, 16(%esp)

       movl       z, %eax

       movl       %eax, 12(%esp)

       movl       -8(%ebp), %eax

       movl       %eax, 8(%esp)

       movl       -4(%ebp), %eax

       movl       %eax, 4(%esp)

       movl       $.LC0, (%esp)

       call printf

       movl       $0, %eax

       leave

       ret

       .size main, .-main

       .comm    a,4,4

       .local       c

       .comm    c,4,4

       .section   .note.GNU-stack,"",@progbits

       .ident      "GCC: (GNU) 3.3.5 (Debian 1:3.3.5-13)"

      
通过以上汇编代码可以发现，z和b在.data段，main和swap在.text段，a和c在.bss段，x,y,temp在stack中，printf函数所打印的字符串在.rodata中。

       下面我们在通过符号表来解释变量的存储。

       每个可重定位目标文件都有一个符号表，它包含该文件所定义和引用的符号的信息。在链接器的上下文中，有三种不同的符号：

1.         由该文件定义并能被其他模块引用的全局符号。即非静态的C函数和非静态的全局变量，如程序中的a,z,swap。

2.         由其他模块定义并被该文件引用的全局符号。用extern关键字所定义的变量和函数。

3.         只被该文件定义和引用的本地符号。用static关键字定义的函数和变量。如程序中的b和c。

该程序所对应的符号表如图所示：

图 2符号表

首先，我们解释上图中各字段的含义：

字段名	含义
Num	序号
Value	符号地址。 可重定位目标文件：距定义目标文件的节的起始位置的偏移 可执行目标文件：一个绝对运行的地址
Size	目标的大小
Type	要么是数据，要么是函数，或各个节的表目
Bind	符号是全局的还是本地的
Vis	目前还没有查到资料，待以后改正
Ndx	通过索引来表示每个节 ABS：不该被重定位的符号 UND：代表未定义的符号（在其他地方定义） COM：未初始化的数据目标
Name	指向符号的名字

      
对于变量b和z，Ndx索引为3，我们观察 图1，不难发现索引3对应的是.data段。变量c对应的索引为4（.bss段），变量a对应的索引是COM，最终当该程序被链接时，它将做为一 个.bss目标分配。我们从反汇编代码中，对于变量a和c都是.comm（反汇编代码中以“.”开头的行，是指导汇编器和链接器运行的命令）：

        ……

       .comm    a,4,4

       .local       c

       .comm    c,4,4

       ……

注意：a所对应的Bind为GLOBAL，即为全局变量，虽然变量c也在.bss段 中，但Bind却是LOCAL，则为本地变量。.data段中的变量b和c也是类似的情况。swap和main都在索引1所对应的.text段中。由于 printf是在库中所定义的，所以索引为UND。

       符号表中不包含对应于本地非静态程序变量中的任何符号。这些符号是在栈中被管理的，所以符号表中没有出现x,y,temp符号。

       相信大家读完这篇文章以后，再也用不着对类似的题目胆战心惊了。