程序的結構體系（十）

        我們本節(jié)來看看程序的結構體系。我們在平時所編寫的程序中，其實它的結構是非常值得研究的，這樣有助于我們編寫出效率更高的代碼，并且也有助于我們理解整個可執(zhí)行文件的架構。好了，廢話不多說。那么我們的程序究竟是由什么構成的呢？它是由不同的段所構成的，包括代碼段、數(shù)據(jù)段等。

        程序有兩個特征，靜態(tài)特征和動態(tài)特征。靜態(tài)特征指的是指令和數(shù)據(jù)，而動態(tài)特征則指的是執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)的動作。下來我們來看看程序源代碼到可執(zhí)行程序文件的對應關系，如下圖所示

        我們之前在 C 語言中曾經也說過這方面的知識，今天我們再次回顧下。由上圖我們可以看到初始化過的全局變量和初始化過的 static 修飾的局部變量都存儲在 .data 段，而沒有初始化的變量則存儲在 .bss 段，函數(shù)都存儲在 .text 段。

        下來我們來一一介紹下上面的幾個段，首先是代碼段（.text），代碼段具有以下特征

                1、源代碼中的可執(zhí)行語句編譯后進入代碼段；

                2、代碼段在有內存管理單元的系統(tǒng)中具有只讀屬性；

                3、代碼段的大小在編譯結束后就已經固定（不能動態(tài)改變）；

                4、代碼段中可以包含常量數(shù)據(jù)（如常量字符串）。

        其次是數(shù)據(jù)段，它包括（.data， .bss， .rodata）。數(shù)據(jù)段用于處處源代碼中具有全局生命期的變量，其中 .bss 段存儲未初始化（或初始化為 0）的變量、.data 段存儲具有非 0 的初始值的變量、.rodata 存儲 const 關鍵字修飾的變量。那么我們思考下：我們在前面說初始化過的和未初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量是分開來存放的，為什么要搞的如此復雜呢？一般在程序加載后，.bss 段中的所有內存單元被初始化為 0，將程序文件中 .data 段相關的初始值寫入對應的內存單元。因為 .bss 段中的變量不用在程序文件中保存初始值，從而減少可執(zhí)行程序文件的體積，并且提高程序的加載效率。

        下來我們還是以代碼為例來進行分析說明

int g_no_var_v;
int g_var_v = 1;

int g_main()
{
    static no_var_v1;
    static var_v2 = 2;

    return 0;
}

        我們編譯來看看結果

        我們看到在 .data 和 .bss 段中各占了8字節(jié)。接下來我們把全局變量 g_no_var_v 的類型改為 char，然后再看看結果

        我們看到結果還是 8，因為它是四字節(jié)對齊的，因此結果還是 8，如果我們改為兩個 char 類型的，那么結果便為 4 了。g_main() 的入口地址便是 .text 段的起始地址了，也再次證明了我們的程序是自己指定入口函數(shù)的了。

        下來我們來看看棧（Stack）。棧在程序中的本質是一片連續(xù)存儲的內存空間，SP 寄存器作為棧頂“指針”實現(xiàn)入棧操作和出棧操作。如下圖所示

        棧的作用大致有以下幾方面：

                1、中斷發(fā)生時，棧用于保存寄存器的值；

                2、函數(shù)調用時，棧用于保存函數(shù)的活動記錄（棧幀信息）；

                3、并發(fā)編程時，每一個線程擁有自己獨立的棧。

        下來我們來看看堆（Heap），堆是一片“閑置”的內存空間，其目的是用于提供動態(tài)的內存分配；當然堆空間的分配是需要 malloc 函數(shù)的支持的，它在使用完成后也需要借助于 free 函數(shù)進行手動的釋放空間。再來看看內存映射段（Memory Mapping Segment），在內核中，是直接將硬盤文件的內容直接映射到內存映射段（mmap），動態(tài)鏈接庫在可執(zhí)行程序加載時映射到內存映射段，以便程序在執(zhí)行時能夠創(chuàng)建匿名映射區(qū)存放程序數(shù)據(jù)。

        我們簡單來介紹下內存映射文件的原理：

                1、將硬盤上的文件數(shù)據(jù)邏輯映射到內存中（零耗時）；

                2、通過缺頁中斷進行文件數(shù)據(jù)的實際載入（一次數(shù)據(jù)拷貝）；

                3、映射后的內存的讀寫就是對文件數(shù)據(jù)的讀寫；

        映射關系如下：

        在程序的結構體系中，它的整體分布如下圖所示