为什么静态内联数据成员不会出现在 Macos 上的 .bss 部分？

Question

在Macos上尝试snmalloc 我想知道为什么所有创建的二进制文件都是 >256MiB。

事实证明，static inline在 Mac OS X 上，ARM64 和 x86_64 上的零初始化数据成员以一种奇怪的方式降低。即使这个简单的测试也会产生巨大的二进制文件：

容器.h

#pragma once
#include <cstdint>

class Container {
    public:
        inline static uint8_t inner[256000000];
};

主文件

#include "container.h"

int main() {
    return Container::inner[0];
}

编译成这样：

$ ~/clang+llvm-12.0.0-x86_64-apple-darwin/bin/clang -O3 -std=c++17 main.cc --target=x86_64-apple-darwin -c; ls -l main.o
-rw-r--r--  1 hans  staff  256000744 Jun 21 16:29 main.o

开源 clang 和 Apple clang 一样。gcc 的行为类似。

在 Linux（用 clang 或 gcc 编译）上，它包含在 .bss 部分中，因此不占用任何空间。

为什么在 Macos 上会出现这种情况？这是错误还是预期行为？

Answer 1

我会继续尝试回答这个问题，尽管我会是第一个承认你只能在遇到一堵墙上说“因为有人做出了决定而你永远坚持下去。”

所有这一切的主要关键在于 MacOS 的 Mach-O 运行时规范的形式，该规范将该.bss部分定义为用于：

未初始化的静态变量（例如，static int i;）。

您可以在版本 10.3 的存档版本中阅读有关它的信息，但您也可以在其他 Mach-O 参考资料中找到相同的信息。

这里要注意的重要一点是，使用的bss是指“私人”的符号只。换句话说，这指的是static关键字的 C 风格使用，保证是翻译单元的本地。

当您将 C++17 成员变量声明为 时static inline，尽管使用了反常重载的static关键字，您还是创建了一个全局对象，保证在程序中永远只有一个实例。换句话说，使用此声明编译的每个翻译单元都将实例化它，并且期望链接器通过选择其中之一将它们“合并”为单个实例。这显然与 C 风格的“未初始化的静态变量”截然不同。

像 clang 这样的 MacOS 主机编译器通过将符号声明为 来实现这一点weak DATA，例如类似于默认构造函数的声明方式（尽管这些当然会在 中TEXT）。

为了说明这一点，请注意，完全没有 C++17 也可以获得相同的效果。例如编译这些示例集并查看程序集输出：

static uint8_t stuff[256000000]; // <- goes into .bss

int main() {
    return (int)reinterpret_cast<uint64_t>(&stuff[0]);
}

请注意，我必须在&stuff此处执行此操作以确保stuff在这种情况下编译器不会完全优化。

现在试试这个：

uint8_t stuff[256000000]; // <-- goes into __DATA,__common

int main() {
    return (int)reinterpret_cast<uint64_t>(&stuff[0]);
}

越来越近。请注意，stuff它.bss不像您在 linux 平台上看到的那样放入。再次根据 Mach-O 运行时规范，该common部分用于：

未初始化的导入符号定义（例如，int i;）位于全局范围内（在函数声明之外）。”

现在试试这个：

__attribute__((weak)) uint8_t stuff[256000000]; // <-- in DATA,__data

int main() {
    return (int)reinterpret_cast<uint64_t>(&stuff[0]);
}

这正是static inlineC++17 成员变量的定义方式。在引擎盖下，clang 已将此符号指定为“合并”数据，在 x86 上它只是变成标准数据。如果你真的想深入了解香肠工厂，你实际上可以在 llvm SelectSectionForGlobal函数中看到。

   if (GO->isWeakForLinker()) {
     if (Kind.isReadOnly())
       return ConstTextCoalSection;
     if (Kind.isReadOnlyWithRel())
       return ConstDataCoalSection;
     return DataCoalSection;
   }

并且在此处DataCoalSection相应地定义为与除 Power PC 之外的所有内容上的普通数据部分相同。

因此，从我的角度来看，鉴于 Mach-O 运行时的可用规范，您所看到的行为正如我所期望的那样。

Answer 2

尝试实例化该类的对象并从该对象调用成员。

Container obj;
cout << obj.inner[0];