系统程序员成长计划-你的数据放在哪里(下)

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对 于初学者来说这道题有点难度，很少有人能完全做对的。不过没关系，我们的目标并不是要难倒读者，而是要刺激读者去思考，加深学习的印象。有了前面两次的经 验，我想没有人再去写一个dlist_to_upper的函数了，大家都会调用dlist_foreach来实现。不过新的问题又出现了，初学者常犯的错 误有以下几种：

1. 转换大写的方法不对。

    char* p = str;
    if(p != NULL)
    {
        while(*p != '/0')
        {
            if('a' <= *p && *p <= 'z')
            {
                *p = *p - ('a' - 'A');
            }
            p++;
        }
}

这是我们在课本里学到的写法，但在工程中是不能这样做的。因为大小写字母在不同语言中的定义是不一样的，’a’是一个字符常量，它的值在任何时候都 是97，但在不同语言中，97却不一定代表’a’。我们不能简单的认为在97(‘a’)-122(‘z’)之间的字符就是小写字母，而是应该调用标准C函 数islower来判断，同样转换为大写应该调用toupper而不是减去一个常量。

2. 在双向链表中存放常量字符串，转换时出现段错误。

    DList* dlist = dlist_create();
    dlist_append(dlist, "It");
    dlist_append(dlist, "is");
    dlist_append(dlist, "OK");
    dlist_append(dlist, "!");
    dlist_foreach(dlist, str_toupper, NULL);
    dlist_destroy(dlist);

运行时会出现Segmentation fault错误。原因是”It”等字符串是常量，常量是不能修改的。

3. 在双向链表中存放的是临时变量，转换后发现所有字符串都一样。

    char str[256] = {0};
    DList* dlist = dlist_create();
    strcpy(str, "It");
    dlist_append(dlist, str);
    strcpy(str, "is");
    dlist_append(dlist, str);
    strcpy(str, "OK");
    dlist_append(dlist, str);
    strcpy(str, "!");
    dlist_append(dlist, str);
    dlist_foreach(dlist, str_toupper, NULL);
    dlist_foreach(dlist, str_print, NULL);
    dlist_destroy(dlist);

运行时发现打印出几个感叹号。原因是dlist_append时没有拷贝一份，所以在dlist中存放的是同一个地址。而且这个dlist在当前函数返回后，里面保存的数据都无效了，因为这些数据指向的是临时变量。

4. 存放时拷贝了数据，但没有free分配的内存。

    DList* dlist = dlist_create();
    dlist_append(dlist, strdup("It"));
    dlist_append(dlist, strdup("is"));
    dlist_append(dlist, strdup("OK"));
    dlist_append(dlist, strdup("!"));
    dlist_foreach(dlist, str_toupper, NULL);
    dlist_foreach(dlist, str_print, NULL);
    dlist_destroy(dlist);

这里看起来工作正常了，但存在内存泄露的BUG。strdup调用malloc分配了内存，但没有地方去free它们。

初学者对内存和指针只有一知半解的认识，常常犯一些连自己都莫名其妙的错误。为了避免这些不必要的错误，今天我们要学习各种数据存放的位置以及它们的特性，让初学者对编程有更进一步的认识。在程序中，数据存放的位置主要有以下几个：

1.未初始化的全局变量(.bss段)

已经记不清bss代表Block Storage Start还是Block Started by Symbol。像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，记不住也是不足为奇的。不过没有关系，重要的是，我们要清楚什么数据是 存放在bss段中的，这些数据有什么样的特点以及如何使用它们。

通俗的说，bss段是用来存放那些没有初始化的和初始化为0的全局变量的。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];

int main(int argc, char* argv[])
{
    return 0;
}
# gcc -g bss.c -o bss.exe
# ls -l bss.exe
-rwxrwxr-x 1 root root 5975 Nov 16 09:32 bss.exe
# objdump -h bss.exe |grep bss
24 .bss          00400020  080495e0  080495e0  000005e0  2**5

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，而不占用文件空间。

现代大多数操作系统，在加载程序时，会把所有的bss全局变量清零。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，这样这些变量都有个确定的初始值。

当然作为全局变量，在整个程序的运行周期内，bss数据是一直存在的。

2.初始化过的全局变量 (.data段)

与bss相比，data段就容易明白多了，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段用来存放那些初始化为非零的全局变量。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;
}
# ls -l data.exe
-rwxrwxr-x 1 root root 4200313 Nov 16 09:34 data.exe
# objdump -h data.exe |grep //.data
23 .data         00400020  080495e0  080495e0  000005e0  2**5

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。

同样作为全局变量，在整个程序的运行周期内，data数据是一直存在的。

3.常量数据 (.rodata段)

rodata的意义同样明显，ro代表read only，rodata就是用来存放常量数据的。关于rodata类型的数据，要注意以下几点：

o 常量不一定就放在rodata里，有的立即数直接和指令编码在一起，存放在代码段(.text)中。

o 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。

o rodata是在多个进程间是共享的，这样可以提高运行空间利用率。

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

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

o 常量是不能修改的，修改常量在linux下会出现段错误。

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，这可以提高程序的稳定性。

字符串会被编译器自动放到rodata中，其它数据要放到rodata中，只需要加const关键字修饰就好了。

4.代码 (.text段)

text段存放代码(如函数)和部分整数常量，它与rodata段很相似，相同的特性我们就不重复了，主要不同在于这个段是可以执行的。

5. 栈(stack)

栈用于存放临时变量和函数参数。栈作为一种基本数据结构，我并不感到惊讶，用来实现函数调用，这也司空见惯的作法。直到我试图找到另外一种方式实现递归操作时，我才感叹于它的巧妙。要实现递归操作，不用栈不是不可能，只是找不出比它更优雅的方式。

尽管大多数编译器在优化时，会把常用的参数或者局部变量放入寄存器中。但用栈来管理函数调用时的临时变量（局部变量和参数）是通用做法，前者只是辅助手段，且只在当前函数中使用，一旦调用下一层函数，这些值仍然要存入栈中才行。

通常情况下，栈向下（低地址）增长，每向栈中PUSH一个元素，栈顶就向低地址扩展，每从栈中POP一个元素，栈顶就向高地址回退。一个有兴趣的问 题：在x86平台上，栈顶寄存器为ESP，那么ESP的值在是PUSH操作之前修改呢，还是在PUSH操作之后修改呢？PUSH ESP这条指令会向栈中存入什么数据呢？据说x86系列CPU中，除了286外，都是先修改ESP，再压栈的。由于286没有CPUID指令，有的OS用 这种方法检查286的型号。

要注意的是，存放在栈中的数据只在当前函数及下一层函数中有效，一旦函数返回了，这些数据也自动释放了，继续访问这些变量会造成意想不到的错误。

6.堆(heap)

堆是最灵活的一种内存，它的生命周期完全由使用者控制。标准C提供几个函数：

malloc 用来分配一块指定大小的内存。
realloc 用来调整/重分配一块存在的内存。
free 用来释放不再使用的内存。
…

使用堆内存时请注意两个问题：

alloc/free要配对使用。内存分配了不释放我们称为内存泄露(memory leak)，内存泄露多了迟早会出现Out of memory的错误，再分配内存就会失败。当然释放时也只能释放分配出来的内存，释放无效的内存，或者重复free都是不行的，会造成程序crash。

分配多少用多少。分配了100字节就只能用100字节，不管是读还是写，都只能在这个范围内，读多了会读到随机的数据，写多了会造成的随机的破坏。这种情况我们称为缓冲区溢出(buffer overflow)，这是非常严重的，大部分安全问题都是由缓冲区溢出引起的。

手工检查有没有内存泄露或者缓冲区溢出是很困难的，幸好有些工具可以使用，比如linux下有valgrind，它的使用方法很简单，大家下去可以试用一下，以后每次写完程序都应该用valgrind跑一遍。

最后，我们来看看在linux下，程序运行时空间的分配情况：

# cat /proc/self/maps 

00110000-00111000 r-xp 00110000 00:00 0          [vdso]
009ba000-009d6000 r-xp 00000000 08:01 768759     /lib/ld-2.8.so
009d6000-009d7000 r--p 0001c000 08:01 768759     /lib/ld-2.8.so
009d7000-009d8000 rw-p 0001d000 08:01 768759     /lib/ld-2.8.so
009da000-00b3d000 r-xp 00000000 08:01 768760     /lib/libc-2.8.so
00b3d000-00b3f000 r--p 00163000 08:01 768760     /lib/libc-2.8.so
00b3f000-00b40000 rw-p 00165000 08:01 768760     /lib/libc-2.8.so
00b40000-00b43000 rw-p 00b40000 00:00 0
08048000-08050000 r-xp 00000000 08:01 993652     /bin/cat
08050000-08051000 rw-p 00007000 08:01 993652     /bin/cat
0805f000-08080000 rw-p 0805f000 00:00 0          [heap]
b7fe8000-b7fea000 rw-p b7fe8000 00:00 0
bfee7000-bfefc000 rw-p bffeb000 00:00 0          [stack]

每个区间都有四个属性：

r 表示可以读取。
w 表示可以修改。
x 表示可以执行。
p/s 表示是否为共享内存。

有文件名的内存区间，属性为r—p表示存放的是rodata。
有文件名的内存区间，属性为rw-p表示存放的是bss和data
有文件名的内存区间，属性为r-xp表示存放的是text数据。
没有文件名的内存区间，表示用mmap映射的匿名空间。
文件名为[stack]的内存区间表示是栈。
文件名为[heap]的内存区间表示是堆。

对内存的掌握是系统程序员必备的技能，希望读者多加体会。本节示例代码请到这里下载。