c compile time memory layout
标题：从一个简单的程序开始，介绍几种间接或直接debug出c程序内存布局的方法：
概述：首先介绍几个概念：
程序从源代码编译之后，即经过预处理，编译，汇编，连接的过程后生成一个可执行程序，在linux为elf,此时程序还是静态的，没有被执行，可以说是编译期或者静态的时候；
当程序在终端被运行，此时会将pc指向main开始执行程序，并一步一步根据程序需要分配内存，栈区，堆区等等，此时为动态期；成为进程或线程；
注意：c语言经过词法分析语法分析等，期间有符号表等的生成（可能存储着和struct，class和定义的类型基本类型等信息），之后生成汇编语言代码不会体现类型信息如无法在其中见到struct的定义代码，并且char定义的变量的值被转化为ASICC码 。汇编代码中体现struct的只有其变量的偏移等等；至于它如何知道，是通过符号表得到的，但是啊生成汇编后不需要符号表了。。汇编执行的过程中并无太多变量相关的内容，之后将变量的值存入某个内存位置的语句；
本文主要探索通过linux下的工具如size gdb等深入学习c程序静态和动态下在内存中的分布和执行情况，以进一步理解c
前言：
一个源代码通过编译后生成一个目标文件.o它是一个elf relocatable文件,以下.o文件指此类，elf文件为executable文件
.o文件(elf)文件的结构： 通过objdump -h xx.o可以查看到
other data ...
.comment offset 0x000000c6.
.rodata ... //const & str 常量
.data
.text
.elf header
一个elf文件的结构是这样的：可以通过readelf来看：
elfheader 文件头包含了平台信息：/usr/include/elf.h
.text 段表 各个段：应用程序也可以自己定义段，和指定变量在哪个段
.data
.bss
..
other sections
section header table
string tables 重定位表和字符串表
symbol tables 符号表是链接的接口
符号表是链接的接口：符号修饰和函数有很大关系，涉及调用的，其中c的符号比较简单，c++为了冲突处理，采用了命名空间，又包含类，所以符号比较复杂
可以通过readelf -s xx.o查看；且加了签名机制，将函数名又做进一步转换（类似乱码），减少冲突
强符号和弱符号（强引用和若引用），调试信息 －g
扩展：
１）比如应用程序可以增加非系统保留字的段如：添加一个music段：当elf运行起来后可以读取这个段播放音乐；但是自定义的段名不能使用.作为前缀；
如objcopy工具将图片段加入：objcopy -I binary -O elf32-i386 -B i386 image.jpg image.o
objdump -ht image.o
可以看到图片在内存中的起始地址等，可以在程序中直接声明后使用他们
具体看文档
２）自定义段：attribute((section(“FOO”))) int global=24;
attribute((section(“BAR”))) void foo(){} 既可以把变量或函数放入该段中 段名：BAR FOO
正文：
0、先从几个命令：
1)size filename:查看elf或.o文件中各个段大小：
text data bss dec hex filename
74 0 0 74 4a simplest.o
代码段 数据段
代码段：只读，可共享，代码中的常量数据在编译时在代码段中分配空间，如int x=3;中的3及const 声明的常量和字符串常量 ,其他数据只引用地址
数据段：为全局初始化数据区和静态数据区：已经初始化的全局变量和静态变量（全局和局部）
bss:为初始化数据取，存放为初始化的全局变量和静态变量，但在开始执行时会被内核赋值０或null
2)其他工具：
readelf -a simplest.o
可以看到更清楚的段信息
objdump -t simplest
objdump -h simplest.o 替代size可以看到更多信息
此时显示出来的一些地址并不是装载后的地址
objdump -s -d xx.o: -s 16进制，-d反汇编 －－－查看代码段
objdump -s -x -d xx.o: –查看数据段和rodata
3)查看目标文件文件属性如relocatable –.o/executable –elf/share object –.so..
file xxx
１、从最简单的程序开始：simplest.c
int main()
{
return 0;
}
将它进行预处理：gcc -E simplest.c 可以看到没有引用到其他头文件：
# 1 “simplest.c”
# 1 “
# 1 “
# 1 “/usr/include/stdc-predef.h” 1 3 4
# 1 “
# 1 “simplest.c”
int main()
{
return 0;
}
将它进行汇编：gcc -S simplest.c
.file “simplest.c”
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident “GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609”
.section .note.GNU-stack,””,@progbits
生成.o文件：gcc -c simplest.c
并通过file xx.o查看类型
simplest.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped
通过size 查看各个段：
size simplest.o: 可以看到只有代码段，数据为空，bss为空，是比较纯净的
text data bss dec hex filename
67 0 0 67 43 simplest.o
接着编译成elf:gcc -o simplest simplest.c
file simplest
simplest: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked,
interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2, for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=
56beff50d6dfd6d435c9556630737121d59c1cc7, not stripped
可以看到连接器等信息
size simplest
text data bss dec hex filename
1099 544 8 1651 673 simplest
注意这里的和.o的文件大小和分段不同，
２、加入头文件和局部变量
#include<stdio.h>
int main()
{
int locala;
int localb=3;
return 0;
}
进行gcc -E simplest.c会看到很多导入的部分，从输出可以看到头文件的位置和引入的函数
汇编，可以看到分配３到内存中
.file “simplest.c”
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $3, -4(%rbp)
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident “GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609”
.section .note.GNU-stack,””,@progbits
生成.o文件：可以看到未改变data和bss,但是代码段变大
text data bss dec hex filename
74 0 0 74 4a simplest.o
生成elf:数据区和bss未改变，代码段也未改变？
text data bss dec hex filename
1099 544 8 1651 673 simplest
３、加入已经初始化的局部静态变量：
int main()
{
static int statica=3;
..
}
看生成的汇编：
.file “simplest.c”
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $3, -4(%rbp)
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.data
.align 4
.type statica.2285, @object //新加的段
.size statica.2285, 4
statica.2285:
.long 3
.ident “GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609”
.section .note.GNU-stack,””,@progbits
.o大小：在静态数据区增加了，４ １个int的长度
text data bss dec hex filename
74 4 0 78 4e simplest.o
elf:有点费解，。。
text data bss dec hex filename
1099 548 4 1651 673 simplest
４、加入已经初始化的全局变量和全局静态变量
int golbala=6;
static long gs=12;
生成的汇编
.file “simplest.c”
.globl golbala
.data
.align 4
.type golbala, @object
.size golbala, 4
golbala://变量名
.long 6
.align 8
.type gs, @object
.size gs, 8
gs://变量名
.quad 12
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $3, -4(%rbp)
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.data
.align 4
.type statica.2287, @object
.size statica.2287, 4
statica.2287:
.long 3
.ident “GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609”
.section .note.GNU-stack,””,@progbits
size : 从４变到20:一个long 和int 4+4齐（见汇编）+8（long)+4=20
text data bss dec hex filename
74 20 0 94 5e simplest.o
elf size:548–>564 16
text data bss dec hex filename
1099 564 4 1667 683 simplest
5 将 int golbala=6;
static long gs=12; 倒换位置！！！！！！！！！
则对齐成：size x.o为：１６比原来小，可以用于节省内存：
text data bss dec hex filename
74 16 0 90 5a simplest.o
汇编：
.file “simplest.c”
.data
.align 8
.type gs, @object
.size gs, 8
gs:
.quad 12
.globl golbala
.align 4
.type golbala, @object
.size golbala, 4
golbala:
.long 6
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $3, -4(%rbp)
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.data
.align 4
.type statica.2287, @object
.size statica.2287, 4
statica.2287:
.long 3
.ident “GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609”
.section .note.GNU-stack,””,@progbits
elf文件的也变小：但bss变大，费解。。
text data bss dec hex filename
1099 560 8 1667 683 simplest
6、加入未初始化的全局变量和全局与局部静态变量
1 #include<stdio.h>
2 static long gs=12;
3 int golbala=6;
4
5
6 static long gsl;
7 int gi;
8 int main()
9 {
10 static int staticn;
11 static int statica=3;
12 int locala;
13 int localb=3;
14 return 0;
15 }
汇编没有看到什么变化：
.file “simplest.c”
.data
.align 8
.type gs, @object
.size gs, 8
gs:
.quad 12
.globl golbala
.align 4
.type golbala, @object
.size golbala, 4
golbala:
.long 6
.local gsl
.comm gsl,8,8
.comm gi,4,4
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $3, -4(%rbp)
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.data
.align 4
.type statica.2290, @object
.size statica.2290, 4
statica.2290:
.long 3
.local staticn.2289
.comm staticn.2289,4,4
.ident “GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609”
.section .note.GNU-stack,””,@progbits
.o文件：+12 未包含未初始化的全局变量
text data bss dec hex filename
74 16 12 102 66 simplest.o
elf:+16 未包含未初始化的全局变量
text data bss dec hex filename
1099 560 24 1683 693 simplest
至此分析完c程序静态下各个段的大小。在执行时才会有堆和栈的出现；链接前后大小也不同
参考：程序员的自我修养