CPU眼里的:变量

“ 变量，是所有编程语言的基本元素，但变量的物理意义，你有了解过吗？是的，没有物理意义，变量的语法意义将荡然无存！”

变量，几乎是所有编程语言的基本元素，变量读写，更是所有程序员的常规操作。但你知道 CPU 是如何读写变量的吗？今天，让我们用CPU的视角，重新认识一下变量。

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认识内存

为了说明这个问题，我们首先要看一眼内存条：

一般来说，无论是什么型号的内存，它们的“金手指”连接线都存在两类重要的信号线：数据信号线和地址信号线。顾名思义，数据信号线用来在计算机和内存之间传递数据信息。例如CPU在读、写内存的时候，具体读写的数据内容，就是依靠数据信号线来传递的。

但我们往往会忽视一点：在我们读、写数据之前，都必须明确的告诉内存条，我们要往哪块内存读、写数据。内存那么大，你要写哪里？所以内存地址是一切内存读、写的前提。

而且内存地址，本身也是十分敏感、宝贵的数据信息，我们常用的：指针变量，就专门用来保存内存地址。

所以，未来我们再提到内存的时候，大家脑海的画面可以是这样的：

右边是内存的存储单元，用来存放各种数据；左边则是用来指示其存储单元位置的内存地址。

例如：我们可以把数值4，存储在内存地址：0x1000处，变量x也就是内存地址0x1000的别名，为内存地址起一个名字x，会便于程序员记忆和使用。

当然，我们也可以把变量x的内存地址值0x1000，存储在内存地址：0x1004处，p也就是内存地址0x1004的别名。为了不让我们过早的陷入对“指针”的讨论，我们就此打住。

02

代码分析

好了，让我们再看看CPU层面的证据吧。打开Compiler Explorer，定义一个全局变量a，然后，写一个最简单的写操作函数：

int a;
void write()
{
    a = 1;
}

让我们看一下写操作对应的汇编指令:

因为只有一条指令，所以很容易猜出：这是要把1放到变量a所在的内存里面，内存地址，应该就是方括号里面的值：rip + 0x2f18

由于指令集的原因，CPU 不可以直接访问内存地址！只能通过寄存器，配合方括号，间接访问内存。根据CPU指令手册：rip 寄存器，存放着 CPU 下一条指令的地址。

所以，变量a的内存地址就是：0x401114 + 0x2f18 = 0x40402c。其中0x2f18是rip 寄存器相对于变量a所在内存地址的偏移量。

正如，变量的定义所说：变量不过是内存地址的别名！让我们多写几个变量看看：

通过类似的方法，我们可以分析出来：a，b，c的内存地址分别是：0x40402c、0x404030、0x404034。它们两两相隔 4 个字节，说明了 int 类型的变量占据了 4 个字节的内存空间。

如果我们把 int 改成 short，它们就两两相隔 2 个字节，因为 short 类型的变量占据了 2 个字节的内存空间。

同理，你会看到 char 类型的变量，会占据了1个字节的内存空间：

需要注意的是：在代码编译并完成加载后，所有CPU指令的内存地址就是固定的，同时每条写指令中的偏移值也是固定的，所以，这里的全局变量和静态变量：a，b，c的内存地址，在程序的整个运行过程中，都是不变的。而栈变量的内存地址，则会随着程序的运行而变化，详细的原因，我们会在后面的章节中继续讨论。

03

总结

1. 每一个变量都对应了一个内存地址；变量的类型则决定了它占用内存空间的长度；
2. CPU（x86为例）往往通过MOV指令，对变量进行读、写操作。为了保证内存读、写的成功，我们需要为其传递：数据内容和用于存储内容的内存地址。当然不同的CPU，有着不同的指令集，但一个类MOV的读、写内存的CPU指令，往往是不可或缺的。
3. 全局变量、静态变量对应的内存地址是全局唯一的，不会随程序的运行而变化。至于函数内部的临时变量（也叫：栈变量）的位置相对飘忽，我们后面会还会详细解释它的工作原理。

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热点问题

Q1：在CPU眼里，是不是就没有 “变量” 的说法？

A1：是的，CPU眼里只有内存地址，没有变量的概念；但 “变量名” 可以用来帮助程序员记忆、标识：某段内存地址。就像域名wwww.baidu.com是IP地址 202.108.22.5 的别名一样，域名只是为了方便人记忆；而IP地址才是数据包的导航方式。

Q2：如果用一个指针变量，指向变量a，然后加上偏移量，是不是就可以得到后边的变量b，c的值？

A2：是的！知道了变量的内存地址，也就可以进行变量的读、写操作了。而指针的 * 操作，正好就可以进行内存的读、写操作。

Q3：代码编译成二进制文件后，代码中的变量名：a、b、c 这3个字符，存放在二进制文件的哪个位置？

A3：如你所见，代码对应的CPU指令中，并不需要变量名：a、b、c。所以，编译好的二进制文件，一般也不会有 a、b、c 这3个字符，它们不过是3个内存地址的别名，用来增加代码的可读性。如果不需要调试信息的话，变量名是不会被存储下来的，在编译好的二进制文件里面，变量名已经变成二进制数了。