C++ 内存布局、编译流程与关键字链接性详解

1. 内存布局

1.1 Linux C++ 内存布局示意

在 Linux 环境下，进程地址空间通常按以下顺序分布（高地址到低地址）：

高地址 +---------------------------+
| 栈 (Stack) | ← 局部变量、函数参数、返回地址 |
| ↓ 增长 |
| (向下增长) |
+---------------------------+
| |
| 空闲区域 |
| |
+---------------------------+
| 堆 (Heap) | ← 动态分配 (new/malloc) |
| ↑ 增长 |
| (向上增长) |
+---------------------------+
| 内存映射段 (mmap) | ← 共享库、动态映射、大分配 |
+---------------------------+
| BSS 段 | ← 未初始化的全局/静态变量 |
+---------------------------+
| 数据段 (.data) | ← 已初始化的全局/静态变量 (可读写) |
+---------------------------+
| 只读数据段 (.rodata) | ← 常量、字符串字面量 (只读) |
+---------------------------+
| 代码段 (.text) | ← 程序指令 (只读 + 可执行) |
+---------------------------+
低地址

1.2 内存布局由谁规定

链接脚本的作用：

• 内存映射：将程序逻辑段（代码/数据）映射到物理内存（FLASH/RAM）
• 地址分配：精确控制各段在内存中的位置和布局
• 符号定义：生成关键地址符号供启动文件和 C 代码使用
• 优化控制：决定哪些段保留/丢弃，影响最终固件大小

一个 ARMv7-M 架构的硬件链接脚本如下，其内存布局与 Linux C++ 不同：

/* ======================================================================== *
 * 1. 程序入口点
 * ======================================================================== */
ENTRY(Reset_Handler)

/* ======================================================================== *
 * 2. 定义变量栈顶 _estack - 从 RAM 顶部开始向下生长
 * 计算：0x20000000 + 32KB = 0x20008000
 * ======================================================================== */
_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);

/* ======================================================================== *
 * 3. 物理内存定义 - STM32G431RBT6 固定配置
 * ======================================================================== */
MEMORY {
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 128K /* 程序存储区 */
    RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 32K /* 数据运行区 */
}

/* ======================================================================== *
 * 4. 内存段布局，定义段映射规则
 * 每个 { ... } 块是一个输出段
 * 书写顺序决定了不同段在内存中的物理排列顺序
 * VMA（Virtual Memory Address）：程序运行时该段所在的地址
 * LMA（Load Memory Address）：该段在存储介质中的地址，AT 用于显示指定 LMA
 * . 是当前位置计数器（location counter）
 * 它的值是 当前输出段的 VMA，即程序运行时该位置的地址
 * ======================================================================== */
SECTIONS {
    
    .isr_vector : {
        . = ALIGN();
        KEEP(*(.isr_vector)) 
        KEEP(*(.vectors)) 
        . = ALIGN();
    } > FLASH 

    
    .text : {
        . = ALIGN();
        *(.text*) 
        *(.glue_7) 
        *(.glue_7t)
        *(.eh_frame) 
        . = ALIGN();
        _etext = .; 
    } > FLASH 

    
    .rodata : {
        . = ALIGN();
        *(.rodata*)
        *(.rodata.*)
        . = ALIGN();
    } > FLASH 

    
    _sidata = LOADADDR(.data);

    
    .data : {
        . = ALIGN();
        _sdata = .; 
        *(.data*)
        *(.data.*)
        . = ALIGN();
        _edata = .; 
    } > RAM AT > FLASH 
    . = ALIGN();

    
    .bss : {
        _sbss = .;
        *(.bss*)
        *(.bss.*)
        *(COMMON) 
        . = ALIGN();
        _ebss = .;
    } > RAM 

    
    .ARM.attributes  : {
        *(.ARM.attributes)
    }

    
    /DISCARD/ : {
        *(.ARM.exidx*) 
        *(.ARM.extab*) 
        *(.init) 
        *(.fini)
        *(.preinit_array*) 
        *(.init_array*) 
        *(.fini_array*) 
        *(.note.gnu.build-id) 
    }
}