引言

【上一篇】文章中介紹到 C/C++ 中一些基本類型變量在內存中的位置皮假，本來想把字符串也在上一篇中介紹的粘招，但測試發(fā)現(xiàn)字符串的情況比基本類型變量復雜的多，所以單獨寫一篇專門來介紹字符串拌喉。
這里說的字符串復雜是因為字符串實際就是 char 數(shù)組派诬，且經(jīng)常要和指針打交道盟萨，甚至不同編譯器還有不同的表現(xiàn)，不是一句兩句能說清楚的兰伤。本文旨在介紹一些常見情況下字符串實際在內存中的位置（段内颗、棧和堆），讀取字符串的過程敦腔，和一些需要注意的問題均澳；本文編譯器使用 clang 和 gcc 兩種（默認使用 clang ），用以介紹不同編譯器的不同點会烙。

開發(fā)環(huán)境

• OS X El Captian (10.11.6)
• Apple LLVM 7.3.0 (clang-703.0.31)
• gcc 6.1.0

字符串在內存中的位置

字符串的初始化一般有兩種方法：

• 數(shù)組：char str[] = "Hello";
• 指針：char *str = "World";

這里考慮全局變量负懦、靜態(tài)局部變量和局部變量三種情況；對于全局變量和靜態(tài)局部變量柏腻，還考慮已初始化和未初始化的情況纸厉。

代碼：

#include <unistd.h>

char global_unin_t1[] = {};
char *global_unin_t2;
char global_t1[] = "Hello";
char *global_t2 = "World";

int main(int argc, const char *argv[]) {
  static char local_stat_unin_t1[] = {};
  static char *local_stat_unin_t2;
  static char local_stat_t1[] = "Think";
  static char *local_stat_t2 = "Free";

  char local_t1[] = "Here";
  char *local_t2 = "Comes";

  sleep(-1);
  return 0;
}

先看看幾個典型的段信息：

再看看段內數(shù)據(jù)：

__cstring:

gcc 編譯 __cstring 段中僅有 "World"、"Free" 和 "Comes"五嫂，沒有 "Here"颗品。

__data:

全局變量

未初始化的全局變量放在 __common 段中肯尺，已初始化的放在 __data 段中。采用數(shù)組方式初始化的 global_t1 將本數(shù)組內的所有值都放在 __data 段中躯枢；而采用指針方式初始化的 global_t2 則僅將指針放在 __data 段中则吟，其指向 __cstring 段中的 "World"。

靜態(tài)變量

未初始化的靜態(tài)局部變量在 __bss 段中锄蹂，已初始化的放在 __data 段中氓仲。采用數(shù)組方式初始化的 local_stat_t1 將本數(shù)組內的所有值都放在 __data 段中；而采用指針方式初始化的 local_stat_t2 則僅將指針放在 __data 段中得糜，其指向 __cstring 段中的 "Free"敬扛。

局部變量

分析局部變量我們直接看反匯編代碼，將 clang 和 gcc 分開分析朝抖。

clang

char local_t1[] = "Here";

0x100000f52 <+34>: movl   0x51(%rip), %edi          ; "Here"
0x100000f58 <+40>: movl   %edi, -0x15(%rbp)
0x100000f5b <+43>: movb   0x4c(%rip), %dl           ; ""
0x100000f61 <+49>: movb   %dl, -0x11(%rbp)

這里 rip 為指令指針寄存器啥箭，rbp 為幀指針（Frame Pointer）寄存器；mov 用來傳送數(shù)據(jù)治宣，movl 操作 32 位急侥，movb 操作 8 位。

rip 為下一指令地址即 0x100000f58侮邀，所以 0x51(%rip) 表示的就是 0x100000fa9坏怪，即 __cstring 段中的 "Here"。注意到 "Here" 實際共 5 byte绊茧，不能用 movx 指令一次移動完陕悬，所以分兩次移動，一次 4 byte按傅，一次 1 byte，這樣將 "Here" 放到 -0x11(%rbp) 開始的棧中胧卤。即 local_t1 將本數(shù)組內的所有值都放棧中唯绍。

char *local_t2 = "Comes";

0x100000f3d <+13>: leaq   0x6a(%rip), %rcx          ; "Comes"
0x100000f64 <+52>: movq   %rcx, -0x20(%rbp)

這里 rip 為指令指針寄存器，rbp 為幀指針（Frame Pointer）寄存器枝誊；lea 將地址指針寫入到寄存器况芒，leaq 操作 64 位。

0x6a(%rip) 表示的是 0x100000fae叶撒，即 __cstring 段中的 "Comes"绝骚，最終這個地址被放到 -0x20(%rbp) 開始的棧中。即 local_t2 將指向 "Comes" 的指針放在棧中祠够。

gcc

char local_t1[] = "Here";

0000000100000f57           movl       $0x65726548, -0x10(%rbp) ## imm = 0x65726548
0000000100000f5e           movb       $0x0, -0xc(%rbp)

這里直接將 "Here "的二進制值 48 65 72 65 00 硬編碼到匯編中压汪，將其壓入棧中。和 clang 一樣古瓤，local_t1將本數(shù)組內的所有值都放棧中止剖。

char *local_t2 = "Comes";

0000000100000f62           leaq       0x3b(%rip), %rax        ## literal pool for: "Comes"
0000000100000f69           movq       %rax, -0x8(%rbp)

這里和 clang 一樣腺阳，不作過多解釋。local_t2 將指向 "Comes" 的指針放在棧中穿香。

先說結論：采用數(shù)組方式初始化的 local_t1 將本數(shù)組內的所有值都放在棧中亭引；而采用指針方式初始化的 local_t2 則僅將指針放在棧段中，其指向 __cstring 段中的 "Comes"皮获。再談談 clang 和 gcc 的區(qū)別焙蚓，主要就是在對以指針方式初始化的字符串上：clang 編譯時將字符串放在 __cstring 段中，運行時從 __cstring 段復制到棧中洒宝；gcc 則在編譯時直接將字符串放在代碼段中购公，運行時直接壓棧。兩者的處理方式各有優(yōu)缺點：clang 避免了將字符串常量放到代碼段中待德，若代碼中還有相同的字符串則可以合并為一個字符串君丁，但運行時有復制的步驟，存在效率問題将宪；gcc 直接將字符串放在代碼段中绘闷，沒有如上 clang 的好處，但運行時直接將值寫入棧中较坛，相對效率更高印蔗。

小結

可以看出，與基本類型變量不同的是丑勤，字符串變量用到了 __cstring 段用來保存字符串常量华嘹；但如果仔細分析，其實字符串同基本類型變量也沒有太大差別法竞，都遵循基本的規(guī)則耙厚。在對以數(shù)組方式初始化的局部變量的處理上，gcc 更常見岔霸，即將字符串以普通數(shù)組的方式編譯薛躬；但 clang 則采用了一種“融合”的方法，將字符串所特有的 __cstring 段也利用了起來呆细。

注意：這里沒有介紹字符串在堆中的情況型宝，因為在堆中的情況很簡單：malloc() 申請堆空間，返回空間指針作為字符串頭絮爷，按照常規(guī)方式讀寫或使用 string 庫操作趴酣。

不同位置讀取效率

這里僅考慮局部變量，分析兩種初始化方式帶來的讀取效率差異坑夯。因為gcc和clang處理方法基本一樣岖寞，所以這里只拿 clang 來舉例。

代碼：

#include <unistd.h>

int main(int argc, const char *argv[]) {
  char str1[] = "Hello";
  char *str2 = "World";

  char str1_0 = str1[0];
  char str1_1 = str1[1];

  char str2_0 = str2[0];
  char str2_1 = str2[1];

  sleep(-1);
  return 0;
}

數(shù)組方式

char str1_0 = str1[0];
char str1_1 = str1[1];

對應的匯編：

0x100000f4a <+58>:  movb   -0x16(%rbp), %r8b
0x100000f4e <+62>:  movb   %r8b, -0x21(%rbp)
0x100000f52 <+66>:  movb   -0x15(%rbp), %r8b
0x100000f56 <+70>:  movb   %r8b, -0x22(%rbp)

這段匯編代碼很容易(注意字符串數(shù)組就在棧里)：

1. 取棧中對應位置的數(shù)據(jù)渊涝，交給一個寄存器慎璧；
2. 由寄存器將數(shù)據(jù)交給棧床嫌。

為什么要一個寄存器繞一下？因為棧在內存中胸私，不能直接內存到內存厌处，需要寄存器作為中間人。

指針方式

char str2_0 = str2[0];
char str2_1 = str2[1];

對應的匯編：

0x100000f5a <+74>:  movq   -0x20(%rbp), %rcx
0x100000f5e <+78>:  movb   (%rcx), %r8b
0x100000f61 <+81>:  movb   %r8b, -0x23(%rbp)
0x100000f65 <+85>:  movq   -0x20(%rbp), %rcx
0x100000f69 <+89>:  movb   0x1(%rcx), %r8b
0x100000f6d <+93>:  movb   %r8b, -0x24(%rbp)

這段匯編代碼多個一個步驟（注意字符串在__cstring段中）：

1. 從棧中取指向字符串的指針岁疼，交給一個寄存器阔涉；
2. 取指針所指地址對應位置數(shù)據(jù)，交給一個寄存器捷绒；
3. 由寄存器將數(shù)據(jù)交給棧瑰排。

為什么這里多繞一步？因為涉及到指針所指地址轉換為地址的問題暖侨。

小結

對比兩種方式可以發(fā)現(xiàn)椭住，讀取字符串時，數(shù)組方式只需要用到一個寄存器字逗，而指針方式需要用到兩個寄存器（需要先把指針讀到寄存器）京郑，讀取以數(shù)組方式初始化的字符串要比以指針方式初始化的字符串效率高。但以指針方式初始化的字符串在加載時就已經(jīng)在內存中葫掉，而以數(shù)組方式初始化的字符串還要進行壓棧的操作些举。

寫字符串時的危險

這里介紹字符串在棧中時，可能對程序造成的破壞俭厚。實際介紹的就是 C 中危險的指針操作户魏，不僅限于字符串，只要涉及到指針操作都可能造成下面說到的破壞挪挤。

例一

在棧中時叼丑，指向字符串的指針不僅能夠修改字符串本身，還能不經(jīng)意間修改其他變量的值扛门。

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char *argv[]) {
  int a = 1;
  char str[] = "World";
  int b = 2;

  char *str_ptr = &str[0];
  *(str_ptr + 6) = 'W';
  *(str_ptr - 3) = 'o'; // align

  printf("a=%d, b=%d, str=\"%s\"\n", a, b, str);

  return 0;
}

輸出為：

a=87, b=1862270978, str="World"

簡單解釋下幢码，因為 a 先入棧，"World" 隨后入棧尖飞，b 最后入棧，此時指針 str_ptr 指向 'W'店雅。注意棧的增長方向是像內存地址更小的方向政基，str_ptr + 6 已經(jīng)超出字符串范圍，到達了 b 的內存區(qū)域闹啦，這時在修改b的值沮明；str_ptr - 3 修改的是 a 的最低一個 byte，所以 a 的值變?yōu)?'o'窍奋，即 87荐健，至于為什么不是 str_ptr - 1酱畅，是因為涉及到內存對齊的問題。

例二

C 中函數(shù)調用時的返回地址江场、保存的寄存器的值等也是在棧中纺酸，指針操作還能威脅到整個程序的順利運行。

void write_str(char *str) {
  for (int i = 2; i < 40; i++) {
    *(str + i) = 'd';
  }
}
int main(int argc, const char *argv[]) {
  char str[] = "World";
  char *str_ptr = &str[0];

  write_str(str);

  return 0;
}

程序執(zhí)行址否，在 return 0 時會提示程序出錯 Thread 1: EXC_BAD_ACCESS (code=EXC_i386_GPLFT)餐蔬。

這里是因為操作字符串指針持續(xù)向棧底方向寫數(shù)據(jù)，破壞了程序的活動記錄（Activate Record）佑附，造成程序出錯樊诺。

小結

指針操作一定要慎重！

參考

• 【原文鏈接】