C语言变量的存储布局

分析以下代码中变量存储空间如何分配：

 1 //MemSeg.c: 代码无意义，仅供分析用
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>  //malloc函数声明位于<stdlib.h>或<cstdlib>头文件中
 4 #include <string.h>
 5 
 6 #define LEN_TEST_INT        4
 7 #define LEN_TEST_CHAR       20
 8 
 9 int gBufInitZero[LEN_TEST_INT] = {0};
10 int gBufInitNonZero[LEN_TEST_INT] = {0xA, 0xB, 0xC, 0xD};
11 int gBufUnInit[LEN_TEST_INT];
12 
13 const int gcVarInitNonZero = 10;  //const变量定义时必须初始化，因为定义后再不能改
14 int gVarInitZero = 0;
15 int gVarInitNonZero = 20;
16 int gVarInitUnInit;
17 static int gsVarInitZero = 0;
18 static int gsVarInitNonZero = 30;
19 static int gsVarUnInit;
20 
21 char gszStrInited[] = "STR_INITED";
22 char *gpszStrInited = "PSZ_INITED";
23 
24 int main(void){
25     static int sVarInitNonZero = 40;
26     char szStrInited[] = "Hello World";
27     register int rVarInitNonZero = 50;
28     
29     char *pszChar = (char *)malloc(LEN_TEST_CHAR);  //为简便起见未考虑内存分配错误处理
30     char *pszCharNext = (char *)malloc(LEN_TEST_CHAR);
31     
32     memset(pszChar, 0, LEN_TEST_CHAR);
33     strcpy(pszChar, szStrInited);
34     printf("pszChar: %p(%s), rVarInitNonZero:%d\n", pszChar, pszChar, rVarInitNonZero);
35     free(pszChar);
36     free(pszCharNext);
37 
38     return 0;
39 }

MemSeg

编译生成a.out文件(gcc MemSeg.c -g)，通过readelf命令(readelf -a a.out)查看目标文件中各变量的地址分布。截图中为突出重点对符号表结果进行了重排和截取：

图中，Num列是符号表序号(已重新排列)。Value列是符号地址，对于可重定位目标文件表示距定义目标文件的节(Section)起始位置的偏移，对于可执行目标文件表示绝对运行地址。Size列为符号字节大小。Type列指示数据(OBJECT)、函数(FUNC)或节(SECTION)等类型。Bind列表明符号的绑定信息，分为局部(对于目标文件的外部不可见)、全局(外部可见)和弱引用(WEAK)。Ndx列为数字时表示节索引，为ABS时代表不该被重定位的符号(如文件名)，UND代表定义在别处的符号(如printf库函数)，COM代表未初始化数据目标(如某些编译器的未初始化全局变量)。Name列为符号名(图中所示为变量名)。

全局变量gcVarInitNonZero用const修饰，表明不应修改其值。该变量被分配0x80485b0地址，从readelf输出可知该地址位于.rodata段(局部只读变量位于栈区)：

该段在文件中的地址是0x5a4~0x5f1(0x5a4+0x4d)。用hexdump命令查看该段内容：

其中0x5a0地址处的0a 00 00 00(小字节序)即变量gcVarInitNonZero的值。也可看到字符串字面值"PSZ_INITED"、"pszChar: %p(%s)\n"及"Hello World"分配在.rodata段。

.data段从地址0x80496fc开始，长度是0x30，即到地址0x804972c结束。.data段存放初值不为0的非const全局变量或静态局部变量。gVarInitNonZero是个GLOBAL符号，而gsVarInitNonZero被static关键字修饰而成为LOCAL符号(不被链接器处理，即不能被其他文件引用)。静态局部变量sVarInitNonZero.2443只在函数内起作用，故编译器对其符号名附加后缀，以便与同名的全局变量或其它函数的变量区分。

注意，若字符数组定义在函数外，则初始化字符串存放在.data段(如"STR_INITED")；否则存放在.rodata段(如"Hello World")。——不解???

.bss段从地址0x804972c开始(紧挨.data段)，长度为0x38，即到地址0x8049764结束。.bss段存放未初始化或初值为0的全局变量或静态局部变量，如gVarInitUnInit、gVarInitZero及gsVarUnInit等。

程序加载运行时，.rodata段和.text段通常合并为一个Segment，操作系统将该Segment页面只读保护起来，防止被意外改写。.data和.bss段在加载时也合并为一个Segment，该Segment可读可写。这点从readelf输出也可看出：

函数的参数和局部变量分配在栈上，故字符数组szStrInited也在栈区。如下反汇编代码所示：

可见，对栈区字符数组赋值时，利用寄存器从全局数据区把字符串拷贝到栈内存中。szStrInited数组的栈上内容从低地址到高地址依次为：Hell(ebp-0x1c)、o wo(ebp-0x18)、rld\0(ebp-0x14)。

栈区从高地址向低地址增长，但数组则从低地址向高地址排列，数组元素szStrInited[n]的地址 = 数组基地址(szStrInited做右值即表示基地址) + n × 每个元素的字节数。当n=0时，元素szStrInited[0]的地址即为数组基地址，因此数组下标从0开始。

变量rVarInitNonZero并未在栈上分配存储空间，而是直接存入ebx寄存器，后面调用printf直接从ebx寄存器里取出变量值当作参数压栈。因此，register关键字用于指示编译器尽可能分配一个寄存器来存储该变量。此外，调用printf时对格式化参数"pszChar: %p(%s), rVarInitNonZero:%d\n"压栈的是其.rodata段中的首地址(0x80485c0)，并未压入整个字符串。故字符串使用时可视为数组名，若作为右值则表示数组首元素地址(即指向数组首元素的指针)。

pszChar和pszCharNext指针本身在栈上分配空间，但却指向malloc动态分配的堆内存。因为堆空间从低地址向高地址增长，故pszCharNext>pszChar(堆)，而&pszCharNext<&pszChar(栈)。

最后，main函数的汇编指令存放在.text段。

【其他工具】

通过size命令可查看ELF文件各段占用的字节空间：