Зачем нужен сегмент .bss?

Я знаю, что глобальные и статические переменные хранятся в .dataсегменте, а неинициализированные данные находятся в .bssсегменте. Я не понимаю, почему у нас есть специальный сегмент для неинициализированных переменных? Если неинициализированной переменной присвоено значение во время выполнения, существует ли эта переменная .bssтолько в сегменте?

В следующей программе aнаходится в .dataсегменте и bнаходится в .bssсегменте; это правильно? Пожалуйста, поправьте меня, если я неправильно понимаю.

#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 ()
{
   ;
}  

Также рассмотрите следующую программу,

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int var[10];  /* Uninitialized so in .bss */
int main ()
{
   var[0] = 20  /* **Initialized, where this 'var' will be ?** */
}

Причина в том, чтобы уменьшить размер программы. Представьте, что ваша программа на C работает во встроенной системе, где код и все константы сохранены в истинном ПЗУ (флэш-памяти). В таких системах перед вызовом main () должно выполняться начальное «копирование вниз» для установки всех статических объектов продолжительности хранения. Обычно это выглядит так:

for(i=0; i<all_explicitly_initialized_objects; i++)
{
  .data[i] = init_value[i];
}

memset(.bss, 
       0, 
       all_implicitly_initialized_objects);

Где .data и .bss хранятся в RAM, а init_value хранится в ROM. Если бы это был один сегмент, то ПЗУ нужно было бы заполнить множеством нулей, что значительно увеличило размер ПЗУ.

Исполняемые файлы на основе RAM работают аналогично, хотя, конечно, у них нет настоящего ПЗУ.

Кроме того, memset, вероятно, является очень эффективным встроенным ассемблером, а это означает, что стартовое копирование может выполняться быстрее.

.bssСегмент является оптимизация. Весь .bssсегмент описывается одним числом, вероятно, 4 или 8 байтами, которое дает его размер в запущенном процессе, в то время .dataкак размер раздела равен сумме размеров инициализированных переменных. Таким образом, .bssисполняемые файлы становятся меньше и быстрее загружаются. В противном случае переменные могут находиться в .dataсегменте с явной инициализацией нулями; программе будет сложно заметить разницу. (В частности, адрес объектов .bss, вероятно, отличался бы от адреса, если бы он был в .dataсегменте.)

В первой программе aбудет в .dataсегменте и bбудет в .bssсегменте исполняемого файла. После загрузки программы различие становится несущественным. Во время выполнения bзанимает 20 * sizeof(int)байты.

Во второй программе varвыделяется пространство, и назначение main()изменяет это пространство. Так получилось, что пространство для varбыло описано в .bssсегменте, а не в .dataсегменте, но это не влияет на поведение программы при запуске.

Из Assembly Language Step-by-Step: Programming with Linux by Jeff Duntemann, относительно раздела .data :

Раздел .data содержит определения данных для инициализированных элементов данных. Инициализированные данные - это данные, которые имеют значение перед запуском программы. Эти значения являются частью исполняемого файла. Они загружаются в память, когда исполняемый файл загружается в память для выполнения.

О разделе .data важно помнить, что чем больше инициализированных элементов данных вы определяете, тем больше будет исполняемый файл и тем больше времени потребуется для его загрузки с диска в память при его запуске.

и раздел .bss :

Не все элементы данных должны иметь значения перед запуском программы. Например, когда вы читаете данные из файла на диске, вам нужно иметь место для данных после того, как они поступят с диска. Подобные буферы данных определены в разделе .bss вашей программы. Вы выделяете некоторое количество байтов для буфера и даете ему имя, но вы не говорите, какие значения должны присутствовать в буфере.

Существует принципиальная разница между элементами данных, определенными в разделе .data, и элементами данных, определенными в разделе .bss: элементы данных в разделе .data увеличивают размер вашего исполняемого файла. Элементов данных в разделе .bss нет. Буфер, занимающий 16 000 байт (или больше, иногда намного больше), может быть определен в .bss и почти ничего не добавить (около 50 байтов для описания) к размеру исполняемого файла.

Ну, во-первых, эти переменные в вашем примере не неинициализированы; C указывает, что статические переменные, не инициализированные иным образом, инициализируются значением 0.

Таким образом, причина использования .bss заключается в том, чтобы иметь меньшие исполняемые файлы, экономить место и обеспечивать более быструю загрузку программы, поскольку загрузчик может просто выделить кучу нулей вместо того, чтобы копировать данные с диска.

При запуске программы загрузчик программы загрузит в память .data и .bss. Записывает в объекты, расположенные в .data или .bss, таким образом, идет только в память, они не сбрасываются в двоичный файл на диске в любой момент.

System V ABI 4,1 (1997) (AKA ELF спецификация) также содержит ответ:

.bssЭтот раздел содержит неинициализированные данные, которые вносят вклад в образ памяти программы. По определению, система инициализирует данные нулями, когда программа начинает работать. Раздел не занимает файлового пространства, на что указывает тип раздела SHT_NOBITS.

говорит, что имя раздела .bssзарезервировано и имеет специальные эффекты, в частности, он не занимает файлового пространства , поэтому преимущество выше .data.

Обратной стороной является, конечно, то, что все байты должны быть установлены, 0когда ОС помещает их в память, что является более строгим, но распространенным вариантом использования и отлично работает для неинициализированных переменных.

Документация по SHT_NOBITSтипу раздела повторяет это утверждение:

sh_sizeЭтот член указывает размер раздела в байтах. Если тип раздела не задан SHT_NOBITS, он занимает sh_size в файле байты. Типовой раздел SHT_NOBITSможет иметь ненулевой размер, но он не занимает места в файле.

Стандарт C ничего не говорит о разделах, но мы можем легко проверить, где хранится переменная в Linux с помощью objdumpи readelf, и сделать вывод, что неинициализированные глобальные переменные на самом деле хранятся в .bss. См., Например, этот ответ: Что происходит с объявленной неинициализированной переменной в C?

Статья в Википедии .bss дает хорошее историческое объяснение, учитывая, что этот термин относится к середине 1950-х годов (ура, мой день рождения ;-).

Раньше каждый бит был драгоценен, поэтому любой метод сигнализации зарезервированного пустого пространства был полезен. Это ( .bss ) тот, который застрял.

Разделы .data предназначены для пространства, которое не является пустым, скорее, в него будут введены (ваши) определенные значения.