bss、data和rodata區別與聯絡

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有人可能會說，全域記憶體就是全域變數嘛，有必要專門一章來介紹嗎？這麼簡單的東西，還能玩出花來？我從來沒有深究它，不一樣寫程式嗎？關於全域記憶體這個主題雖然玩不出花來，但確實有些重要，瞭解這些知識，對於最佳化程式的時間和空間很有協助。因為有好幾次這樣經曆，我才決定花一章篇幅來介紹它。

正如大家所知道的，全域變數是放在全域記憶體中的，但反過來卻未必成立。用static修飾的局部變數就是放在放全域記憶體的，它的範圍是局部的，但生命期是全域的。在有的嵌入式平台中，堆實際上就是一個全域變數，它佔用相當大的一塊記憶體，在運行時，把這塊記憶體進行二次分配。

這裡我們並不強調全域變數和全域記憶體的差別。在本文中，全域強調的是它的生命期，而不是它的範圍，所以有時可能把兩者的概念互換。

一般來說，在一起定義的兩個全域變數，在記憶體的中位置是相鄰的。這是一個簡單的常識，但有時挺有用，如果一個全域變數被破壞了，不防先查查其前後相關變數的存取碼，看看是否存在越界訪問的可能。

在ELF格式的可執行檔中，全域記憶體包括三種：bss、data和rodata。其它可執行檔格式與之類似。瞭解了這三種資料的特點，我們才能充分發揮它們的長處，達到速度與空間的最佳化。

1.         bss
已經記不清bss代表Block Storage Start還是Block Started by Symbol。像這我這種沒有用過那些史前電腦的人，終究無法明白這樣怪異的名字，也就記不住了。不過沒有關係，重要的是，我們要清楚bss全域變數有什麼樣特點，以及如何利用它。

通俗的說，bss是指那些沒有初始化的和初始化為0的全域變數。它有什麼特點呢，讓我們來看看一個小程式的表現。
int bss_array[1024 * 1024] = {0};

int main(int argc, char* argv[])
{
    return 0;
}
[[email protected] bss]# gcc -g bss.c -o bss.exe
[[email protected] 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

變數bss_array的大小為4M，而可執行檔的大小隻有5K。 由此可見，bss類型的全域變數只佔運行時的記憶體空間，而不佔檔案空間。

另外，大多數作業系統，在載入程式時，會把所有的bss全域變數全部清零，無需要你手工去清零。但為保證程式的可移植性，手工把這些變數初始化為0也是一個好習慣。

2.         data
與bss相比，data就容易明白多了，它的名字就暗示著裡面存放著資料。當然，如果資料全是零，為了最佳化考慮，編譯器把它當作bss處理。通俗的說，data指那些初始化過（非零）的非const的全域變數。它有什麼特點呢，我們還是來看看一個小程式的表現。
int data_array[1024 * 1024] = {1};

int main(int argc, char* argv[])
{
    return 0;
}

[[email protected] data]# gcc -g data.c -o data.exe
[[email protected] 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

僅僅是把初始化的值改為非零了，檔案就變為4M多。由此可見，data類型的全域變數是即占檔案空間，又佔用運行時記憶體空間的。

3.         rodata
rodata的意義同樣明顯，ro代表read only，即唯讀資料(const)。關於rodata類型的資料，要注意以下幾點：
l         常量不一定就放在rodata裡，有的立即數直接編碼在指令裡，存放在程式碼片段(.text)中。
l         對於字串常量，編譯器會自動去掉重複的字串，保證一個字串在一個可執行檔(EXE/SO)中只存在一份拷貝。
l         rodata是在多個進程間是共用的，這可以提高空間利用率。
l         在有的嵌入式系統中，rodata放在ROM(如norflash)裡，運行時直接讀取ROM記憶體，無需要載入到RAM記憶體中。
l         在嵌入式linux系統中，通過一種叫作XIP（就地執行）的技術，也可以直接讀取，而無需要載入到RAM記憶體中。

由此可見，把在運行過程中不會改變的資料設為rodata類型的，是有很多好處的：在多個進程間共用，可以大大提高空間利用率，甚至不佔用RAM空間。同時由於rodata在唯讀記憶體頁面(page)中，是受保護的，任何試圖對它的修改都會被及時發現，這可以協助提高程式的穩定性。

4.         變數與關鍵字
static關鍵字用途太多，以致於讓新手模糊。不過，總結起來就有兩種作用，改變生命期和限制範圍。如：
l         修飾inline函數：限制範圍
l         修飾普通函數：限制範圍
l         修飾局部變數：改變生命期
l         修飾全域變數：限制範圍

const 關鍵字倒是比較明了，用const修飾的變數放在rodata裡，字串預設就是常量。對const，注意以下幾點就行了。
l         指標常量：指向的資料是常量。如 const char* p = “abc”; p指向的內容是常量 ，但p本身不是常量，你可以讓p再指向”123”。
l         常量指標：指標本身是常量。如：char* const p = “abc”; p本身就是常量，你不能讓p再指向”123”。
l         指標常量 + 常量指標：指標和指標指向的資料都是常量。const char* const p =”abc”; 兩者都是常量，不能再修改。

violatile關鍵字通常用來修飾多線程共用的全域變數和IO記憶體。告訴編譯器，不要把此類變數最佳化到寄存器中，每次都要老老實實的從記憶體中讀取，因為它們隨時都可能變化。這個關鍵字可能比較生僻，但千萬不要忘了它，否則一個錯誤讓你調試好幾天也得不到一點線索。

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