C++调试：内存管理

正文

本文将会通过一个例子，通过 nm、lldb 工具查看 ELF 文件的内存管理：

#include <iostream>
using namespace std;
/*
说明：C++
中不再区分初始化和未初始化的全局变量、静态变量的存储区，如果非要区分下述程序标注在了括号中
*/
int g_var = 0; // g_var 在全局区（.data 段）
char *gp_var;  // gp_var 在全局区（.bss 段）

int main() {
    int var;     // var 在栈区
    char *p_var; // p_var 在栈区
    char arr[] =
        "abc"; // arr 为数组变量，存储在栈区；"abc"为字符串常量，存储在常量区
    const char *p_var1 =
        "123456"; // p_var1 在栈区；"123456"为字符串常量，存储在常量区
    static int s_var = 0; // s_var 为静态变量，存在静态存储区（.data 段）
    p_var = (char *)malloc(10); // 分配得来的 10 个字节的区域在堆区
    free(p_var);
    return 0;
}
CPP

编译，通过 nm 打印符号信息表（ nm 只能打印出全局符号，因为局部变量不会出现在全局符号表中。nm 主的用途是列出全局符号，比如全局变量、静态变量以及函数名等。局部变量的信息通常在编译时被分配到栈上，并不包含在全局符号表中）：

g++ -g mem.cxx -o main
nm ./main
0000000100008028 b __ZZ4mainE5s_var
0000000100008010 d __dyld_private
0000000100000000 T __mh_execute_header
                 U _free
0000000100008018 S _g_var
0000000100008020 S _gp_var
0000000100003f0c T _main
                 U _malloc
                 U dyld_stub_binder
BASH

可以看到 _g_var、_gp_var 都位于.sbss ，尽管一个初始化一个未初始化，但是C++中不再区分初始化和未初始化的全局变量、静态变量的存储区，因此它们显示都是 S。以下是更详细的解释：
在 nm 命令输出中，S 和 B 都指示变量未初始化，但它们并不相同，也不属于同一个类别。每个符号都独立表示不同的存储特性或区段。这里是更详细的区分：

1. b/B (大写):

   • B 表示变量位于 .bss 段，这是专门用于存储未初始化的全局变量和静态变量的内存区段。这些变量在程序启动时自动被初始化为零。

2. s/S (大写):

   • S 通常用于指示小型未初始化数据段，如 .sbss。.sbss 是 .bss 段的一个小段，用于存储较小的未初始化变量，以优化内存的使用。S 并不直接属于 B，但它表示的是一个与 B 类似的概念，专门针对小型数据。

简而言之，S 和 B 都涉及未初始化的数据，但它们代表的是不同的内存区段。S 不属于 B，但两者都用于未初始化数据的存储，只是大小和存储优化方面有所区别。因此，在处理大型和小型未初始化数据时，编译器和链接器可能会选择将它们分别放在 .bss 或 .sbss 段中。

接着用 lldb 进行调试，lldb 可以查看 main 中的局部符号：

...
Target 0: (main) stopped.
(lldb) frame variable -L var
0x000000016fdfeff8: (int) var = 802912
(lldb) frame variable -L p_var
0x000000016fdfeff0: (char *) p_var = 0x0000000100504080 ""
(lldb) frame variable -L arr
0x000000016fdfefec: (char [4]) arr = "abc"
(lldb) frame variable -L p_var1
0x000000016fdfefe0: (const char *) p_var1 = 0x0000000100003fb0 "123456"
(lldb) frame variable -L s_var
0x0000000100008028: (int) s_var = 0
...
BASH

这些信息足够查看以及推断：

局部符号	地址	section
var	0x000000016fdfeff8	栈区
p_var	0x000000016fdfeff0	栈区
arr	0x000000016fdfefec	栈区
p_var1	0x000000016fdfefe0	栈区
s_var	0x0000000100008028	.bss
“123456”	0x0000000100003fb0	常量区

之所以推断 0x0000000100003fb0 位于常量区，依据是上面的信息0000000100003f0c T _main，.text 接下来就是 .rodata，地址很近。