理解C++變量存儲模型

在 理解程序內存一文中我們介紹了普通程序運行時在內存中的布局，下面我們專門針對C++源代碼以WinDbg為工具分析下C++程序的變量存儲模型, 要理解下面的知識，請先看懂 理解程序內存一文。

下面我們嘗試分析C++變量的存儲模型, 我們的測試程序非常簡單:

#include <iostream>

using  namespace  std;

const char* global_const_string = "hello world";

int global_int = 20;

static int global_static_int = 30;

int main() 

{

static int local_static_int = 100;

int local_int = 200;

int* pValue = new int(300);

cout << global_const_string << global_int 

<< global_static_int << local_static_int 

<< local_int << *pValue;

delete pValue;

system("pause");

return 0;

}

可以看到我們上面對程序雖然簡單，但是基本包括了所有的變量類型,包括靜態的，常量的，全局的，本地的，還有new出來的，下面我們依次分析每個變量所屬的存儲區域。

我們直接用WinDbg以源碼的方式調試我們的測試程序consoleTest.exe.
首先我們分析下consoleTest.exe模塊的起始地址及內部數據節的分布情況, 通過!address命令:

*   400000   401000     1000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_READONLY                      Image "ConsoleTest.exe"

|-  401000   41d000    1c000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_EXECUTE_READ                  Image "ConsoleTest.exe"

|-  41d000   422000     5000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_READONLY                      Image "ConsoleTest.exe"

|-  422000   426000     4000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_WRITECOPY                     Image "ConsoleTest.exe"

|-  426000   427000     1000 MEM_IMAGE   MEM_COMMIT  PAGE_READONLY                      Image "ConsoleTest.exe"

可以看到consoleTest.exe模塊在內存中的起始地址是0x400000, 接下來可以通過!dh 0x400000分析它內部的數據節分布, 並且最終我們可以得出如下結論:
地址 400000 - 401000 : PE文件頭，屬性是只讀
地址 401000 - 41d000 : .text, 屬性是只讀可執行，表示代碼節
地址 41d000 -  422000 : .rdata, 屬性是只讀， 表示只讀數據
地址 422000 -  426000 : .data, 屬性是寫入時拷貝，表示可讀寫數據
地址 426000 - 427000 : .rsrc, 屬性是只讀，表示資源節

通過!address -f:stack命令我們可以看到:

0:000> !address -f:stack

  BaseAddr EndAddr+1 RgnSize     Type       State                 Protect             Usage

-------------------------------------------------------------------------------------------

   40000   13d000    fd000 MEM_PRIVATE MEM_RESERVE                                    Stack [8b0.1d0; ~0]

  13d000   13e000     1000 MEM_PRIVATE MEM_COMMIT  PAGE_READWRITE|PAGE_GUARD          Stack [8b0.1d0; ~0]

  13e000   140000     2000 MEM_PRIVATE MEM_COMMIT  PAGE_READWRITE                     Stack [8b0.1d0; ~0]

可以看到我們主線程的堆棧起始地址是: 13e000 - 140000

接下來我們首先分析所有全局變量的存儲區域, 通過x consoletest!global*命令，讓調試器列出所有在consoletest模塊中global開頭的調試符號:

0:000> x consoletest!global*
00422000 ConsoleTest!global_const_string = 0x0041d1dc "hello world"
00422004 ConsoleTest!global_int = 0n20
00422008 ConsoleTest!global_static_int = 0n30
004238a0 ConsoleTest!global_locale = 0x00000000

通過分析我們可以看到我們的3個全局變量global_const_string, global_int, global_static_int全都分布在422000 - 426000之間的.data可讀寫數據節中。
而global_const_string所指向的內容

0x0041d1dc  " hello world "

則分布在41d000 -  422000 之間的.rdata只讀數據節中，這個結論也符合我們平時關於全局變量存儲區域的理解。

下面我們再嘗試分析局部變量的存儲區域，再main函數內部cout的地方設置斷點，然后讓程序運行到此， 然后輸入dv /t /i /v命令查看所有局部變量, 可以看到

0:000> dv /t /i /v
prv local  0042200c  int local_static_int = 0n100
prv local  0013ff70  int local_int = 0n200
prv local  0013ff74  int * pValue = 0x02248ff8

我們可以看到local_static_int也分布在422000 - 426000之間的.data可讀寫數據節中, 而local_int和pValue則都存儲在 13e000 - 140000之間的堆棧區域上。

而指針pValue所指向的地址0x02248ff8我們可以通過!address 0x02248ff8命令來分析， 結果是:

0:000> !address 0x02248ff8

Usage:                  Heap
Allocation Base:        021d0000
Base Address:           02248000
End Address:            02249000
Region Size:            00001000
Type:                   00020000    MEM_PRIVATE
State:                  00001000    MEM_COMMIT
Protect:                00000004    PAGE_READWRITE
More info:              !heap -p 0x21d1000
More info:              !heap -p -a 0x2248ff8

可以看到地址 0x02248ff8是在堆(heap)上面。

通過上面的分析，我們驗證了平時C++書上關於各種類型變量存儲區域的假設，簡單來說就是全局變量和靜態變量會被編譯到可執行文件的數據節(分只讀和可讀寫)中, 非靜態的局部變量則分配在堆棧(stack)上，而new(malloc)出來的內存則分配在堆(heap)上。