为什么需要 .bss 段？

Question

我知道的是全局变量和静态变量存储在.data段中，未初始化的数据存储在.bss段中。我不理解的是为什么我们要为未初始化的变量专门分配一个段？如果未初始化的变量在运行时被赋值，该变量是否仍然只存在于.bss段中？

在下面的程序中，a在.data段中，b在.bss段中；我的理解是否正确，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 ()
{
   ;
}  

此外，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 ?** */
}

  

- Whoami

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你可以将BSS理解为“更好的节省空间”。 - smwikipedia

Answer 1

这样做是为了减小程序的大小。想象一下，如果您的C程序在嵌入式系统中运行，在这些系统中，代码和所有常量都保存在真正的ROM（闪存）中。在调用main()函数之前，必须执行初始的“复制-下降”操作来设置所有静态存储期对象。通常会像这样进行：

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

memset(.bss, 
       0, 
       all_implicitly_initialized_objects);

.data和.bss被存储在RAM中，但init_value被存储在ROM中。如果只有一个段，那么ROM将需要填充大量的零，从而显著增加ROM大小。

基于RAM的可执行文件工作方式类似，当然它们没有真正的ROM。

此外，memset很可能是一些非常高效的内联汇编代码，这意味着启动复制向下可以更快地执行。

- Lundin

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澄清一下：.data 和 .bss 之间唯一的区别是，在启动时，“复制-向下”操作可以顺序运行，因此速度更快。如果没有将它们分成两个段，则初始化必须跳过属于未初始化变量的 RAM 位置，从而浪费时间。 - Jodes

谢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并留在.bss中吗？还是从.bss中删除并写入.data（从而缩短.bss段）？ - Axel B

Answer 2

.bss段是一种优化。整个.bss段由一个单独的数字描述，可能为4字节或8字节，表示它在运行进程中的大小，而.data部分的大小则等于初始化变量大小的总和。因此，.bss使可执行文件更小，加载更快。否则，变量可以在.data段中具有显式初始化为零；程序很难分辨不同之处。（详细来说，.bss中对象的地址可能与它在.data段中的地址不同。）

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

在第二个程序中，var被分配空间，并且main()函数中的赋值修改了该空间。恰好var的空间描述在.bss段中而不是.data段中，但这并不影响程序运行时的行为。

- Jonathan Leffler

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例如，考虑有许多长度为4096字节的未初始化缓冲区。你希望所有这些4k缓冲区都对二进制文件的大小产生贡献吗？那将浪费很多空间。 - Jeff Mercado

@jonathen killer：为什么整个BSS段只用一个数字来描述？ - Suraj Jain

@JonathanLeffler，请查看这个问题：“https://dev59.com/omsy5IYBdhLWcg3wsADQ”。我认为所选的最佳答案在解释静态内存分配方面是错误的。您能确认一下吗？ - Suraj Jain

存储的数字是要填充零的字节数。除非没有这样未初始化的变量，否则bss节的长度不为零，即使加载程序后bss节中所有字节都将为零。 - Jonathan Leffler

可执行文件中的.bss节只是一个数字。内存中的进程映像中的.bss节通常是相邻于.data节的内存，并且运行时.data节经常与.bss结合在一起；在运行时内存中没有区分。有时，您可以找到bss开始的位置（edata）。实际上，在进程映像完成后，.bss在内存中不存在；零数据只是.data节的一部分。但具体细节取决于操作系统等因素。 - Jonathan Leffler

Answer 3

来自Jeff Duntemann的《Assembly Language Step-by-Step: Programming with Linux》一书，关于.data节：

  

.data部分包含已初始化数据项的数据定义。初始化数据是指程序运行之前就有值的数据。这些值是可执行文件的一部分。当执行文件被加载进入内存进行执行时，它们会被加载到内存中。

     

需要记住关于.data部分的重要事情是，您定义的已初始化数据项越多，可执行文件的大小就越大，加载它从磁盘进入内存时所需的时间也就越长。

还有.bss节：

  

并非所有数据项都需要在程序开始运行之前具有值。例如，当您从磁盘文件读取数据时，需要为数据分配一个位置以存储读入的数据。像这样的数据缓冲区在程序的.bss部分中定义。您可以为缓冲区分配一定数量的字节并给予其一个名称，但是不需要声明缓冲区中将存在哪些值。

     

在.data部分和.bss部分中定义的数据项之间存在一个关键的区别：在.data部分中定义的数据项会增加可执行文件的大小，而在.bss部分中定义的数据项则不会。一个占据16000字节（或更多，有时远远超过）的缓冲区可以在.bss中定义，并且对于可执行文件的大小几乎没有什么影响（大约50个字节左右用于描述）。

- mihai

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简而言之，在编程中，常量应使用“.data”，指针应使用“.bss”。 - testing_22

Answer 4

首先，你样例中的变量并非未初始化；C语言规定，未被显式初始化的静态变量会被初始化为0。因此，使用.bss的原因是为了减小可执行文件的大小，节省空间，使程序加载更快。因为加载器只需分配一堆零，而不需要从磁盘复制数据。

在运行程序时，程序加载器将把.data和.bss加载到内存中。对于驻留在.data或.bss中的对象的写入操作只会写入到内存中，而不会在任何时候刷新到磁盘上的二进制文件中。

- janneb

Answer 5

System V ABI 4.1 (1997)（也称为 ELF 规范）也包含了答案：

.bss 这个段保存的是未初始化的数据，这些数据会对程序的内存映像做出贡献。根据定义，当程序开始运行时，系统会用零来初始化这些数据。该段不占用文件空间，这一点通过它的段类型 SHT_NOBITS 得到了体现。

上述内容表明段名 .bss 被保留并具有特殊效果，尤其是它不占用文件空间，因此比 .data 更具优势。

当然，缺点是所有字节在操作系统将它们放入内存时都必须设置为 0，这更加严格，但是常见用例，对于未初始化的变量可以正常工作。

SHT_NOBITS 段类型文档重申了这个肯定：

sh_size成员提供了该节的字节数。除非节类型是SHT_NOBITS，否则该节占用文件中的sh_size字节。类型为SHT_NOBITS的节可能具有非零大小，但在文件中不占用空间。

C标准对节没有任何说明，但我们可以使用objdump和readelf轻松验证变量在Linux中存储的位置，并得出未初始化的全局变量实际上存储在.bss中。例如，请参见此答案：What happens to a declared, uninitialized variable in C?

- Ciro Santilli OurBigBook.com

Answer 6

维基百科文章“.bss”提供了一个很好的历史解释，因为该术语来自于20世纪50年代中期（耶，我的生日;-)）。

早些时候，每个位都非常宝贵，因此任何用于标记保留的空闲空间的方法都是有用的。这个（.bss）是被采用的其中之一。 .data部分用于不为空的空间，而是将（您的）定义值输入其中。

- Philip Oakley