为啥需要 .bss 段？

Posted 2023-02-19

【中文标题】为啥需要 .bss 段？

【英文标题】：Why is the .bss segment required?为什么需要 .bss 段？

【发布时间】：2012-03-21 01:43:03

【问题描述】：

我所知道的是，全局变量和静态变量存储在.data 段中，未初始化的数据在.bss 段中。我不明白的是为什么我们有未初始化变量的专用段？如果未初始化的变量在运行时分配了值，该变量是否仍仅存在于 .bss 段中？

在下面的程序中，a在.data段中，b在.bss段中；那是对的吗？如果我的理解有误，请纠正我。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int a[10] =  1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9;
int b[20]; /* Uninitialized, so in the .bss and will not occupy space for 20 * sizeof (int) */

int main ()

   ;
  

另外，请考虑以下程序，

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int var[10];  /* Uninitialized so in .bss */
int main ()

   var[0] = 20  /* **Initialized, where this 'var' will be ?** */

【问题讨论】：

您可以将 BSS 理解为 更好地节省空间。

【参考方案1】：

原因是为了减小程序大小。想象一下，您的 C 程序在嵌入式系统上运行，其中代码和所有常量都保存在真正的 ROM（闪存）中。在此类系统中，在调用 main() 之前，必须执行初始“向下复制”以设置所有静态存储持续时间对象。它通常会像这样伪：

for(i=0; i<all_explicitly_initialized_objects; i++)

  .data[i] = init_value[i];


memset(.bss, 
       0, 
       all_implicitly_initialized_objects);

其中 .data 和 .bss 存储在 RAM 中，但 init_value 存储在 ROM 中。如果它是一个段，那么 ROM 必须用很多零填充，显着增加 ROM 大小。

基于 RAM 的可执行文件的工作方式类似，当然它们没有真正的 ROM。

另外，memset 可能是一些非常高效的内联汇编器，这意味着启动时向下复制可以更快地执行。

【讨论】：

澄清一下：.data 和 .bss 之间的唯一区别是在启动时，“copy-down”可以按顺序运行，因此速度更快。如果它没有被分成两部分，那么初始化将不得不跳过属于未初始化变量的 RAM 点，所以浪费时间。

感谢您对启动过程的解释，但是当.bss 中的变量被初始化时会发生什么？它会覆盖 0 并保留在 .bss 吗？它是否从 .bss 中删除并写入 .data（从而缩短了 .bss 段）？

【参考方案2】：

.bss 段是一种优化。整个 .bss 段由一个数字描述，可能是 4 个字节或 8 个字节，它给出了它在运行进程中的大小，而 .data 部分与初始化变量的大小之和一样大。因此，.bss 使可执行文件更小，加载更快。否则，变量可能在.data 段中，显式初始化为零；该程序将很难区分。 （具体来说，.bss 中的对象地址可能与.data 段中的地址不同。）

在第一个程序中，a 将在.data 段中，b 将在可执行文件的.bss 段中。一旦程序被加载，区别就变得无关紧要了。在运行时，b 占用 20 * sizeof(int) 字节。

在第二个程序中，var 分配了空间，main() 中的赋值修改了该空间。碰巧var 的空间是在.bss 段而不是.data 段中描述的，但这并不影响程序在运行时的行为方式。

【讨论】：

例如，考虑有许多长度为 4096 字节的未初始化缓冲区。您是否希望所有这些 4k 缓冲区都对二进制文件的大小有所贡献？那会浪费很多空间。

@jonathen 杀手：为什么整个 bss 段用单个数字描述？？

@JonathanLeffler 我的意思是所有零初始化的静态变量都进入 bss 。那么它的值不应该只是零吗？还有为什么他们没有在 .data 部分上留出空间怎么会让它变慢？

@SurajJain：存储的数字是要填充零的字节数。除非没有此类未初始化的变量，否则 bss 部分的长度不会为零，即使程序加载后 bss 部分的所有字节都将为零。

可执行文件中的 .bss 部分只是一个数字。内存进程映像中的 .bss 部分通常是与 .data 部分相邻的内存，并且运行时 .data 部分通常与 .bss 组合在一起；运行时内存没有区别。有时，您可以找到 bss 的开始位置 (edata)。实际上，一旦进程映像完成，.bss 就不会存在于内存中；归零的数据是 .data 部分的简单部分。但细节因操作系统等而异。

【参考方案3】：

来自 Jeff Duntemann 的 Assembly Language Step-by-Step: Programming with Linux，关于 .data 部分：

.data 部分包含初始化数据项的数据定义。初始化 data 是在程序开始运行之前具有值的数据。这些值 是可执行文件的一部分。当它们被加载到内存中时 可执行文件被加载到内存中执行。

关于 .data 部分要记住的重要一点是 您定义的初始化数据项越多，可执行文件越大 将是，并且将其从磁盘加载到内存所需的时间越长 当你运行它时。

和 .bss 部分：

在程序开始运行之前，并非所有数据项都需要有值。 例如，当您从磁盘文件中读取数据时，您需要有一个 数据从磁盘进入后的位置。像这样的数据缓冲区是 在程序的 .bss 部分中定义。你预留了一些 缓冲区的字节并给缓冲区命名，但你不说什么值 将出现在缓冲区中。

.data 中定义的数据项之间存在关键区别 .bss 节中定义的节和数据项： .data 部分会增加可执行文件的大小。中的数据项 .bss 部分没有。占用 16,000 字节（或更多， 有时更多）可以在 .bss 中定义并且几乎不添加任何内容 （大约50个字节的描述）到可执行文件的大小。

【参考方案4】：

首先，您示例中的那些变量不是未初始化的； C 指定将未初始化的静态变量初始化为 0。

所以 .bss 的原因是具有更小的可执行文件，节省空间并允许更快地加载程序，因为加载器可以分配一堆零，而不必从磁盘复制数据。

运行程序时，程序加载器会将 .data 和 .bss 加载到内存中。写入驻留在 .data 或 .bss 中的对象因此只会进入内存，它们不会在任何时候刷新到磁盘上的二进制文件。

【参考方案5】：

System V ABI 4.1 (1997)（又名 ELF 规范）也包含答案：

.bss 此部分包含未初始化的数据，这些数据有助于 程序的内存映像。根据定义，系统初始化 程序开始运行时数据为零。该节不占用文件空间，如节类型SHT_NOBITS所示。

表示段名.bss是保留的，有特殊效果，特别是不占用文件空间，比.data更有优势。

当然，缺点是当操作系统将它们放入内存时，所有字节都必须设置为0，这更具限制性，但却是一个常见的用例，并且适用于未初始化的变量。

SHT_NOBITS 部分类型文档重复了该声明：

sh_size 该成员以字节为单位给出节的大小。除非section类型是SHT_NOBITS，否则section占用sh_size 文件中的字节。 SHT_NOBITS 类型的部分可能有一个非零 大小，但不占用文件空间。

C 标准没有提及节，但我们可以使用objdump 和readelf 轻松验证变量在Linux 中的存储位置，并得出结论，未初始化的全局变量实际上存储在.bss 中。例如看这个答案：What happens to a declared, uninitialized variable in C?

【参考方案6】：

***文章 .bss 提供了一个很好的历史解释，因为该术语来自 1950 年代中期（yippee mybirthday;-)。

在过去，每一点都是宝贵的，所以任何表示预留空白空间的方法都是有用的。这个 (.bss) 是卡住的那个。

.data 部分用于非空空间，而是输入（您的）定义的值。