大家好，我是李述铜，一名专注于嵌入式系统与底层开发的工程师，我的主要工作是制作课程带大家从零手写操作系统、TCP/IP协议栈、文件系统等核心系统，从实现的视角理解计算机底层原理。

这篇文章继续写C语言相关的话题，内容主要涉及全局变量和静态变量的初始值从何而来？

我们知道，对于C程序中的全局变量和静态变量，如果不给定初始化值，则其默认值是0。

那么，这个默认值设置为0的工作，究竟是谁来完成的？是编译器吗，还是操作系统，抑或是程序本身？

而如果程序中有很多这种变量，他们是逐个被初始化为0，还是通过其他方法来实现？

在这篇文章中，我将以ARM和RISC-V上的程序代码为例，介绍其中的相关原理。

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现象示例：一段简单的程序

为了方便介绍后续内容，这里给出一段简单的C代码，具体如下：

#include <stdio.h>

int g;            // 全局变量

int main() {
    static int s;     // 静态变量
    printf("%d %d\n", g, s);
    s = 1;
    return 0;
}

在上述代码中，即使我们没有初始化变量g和s，程序总是输出0 0。

这段程序，无论是芯片上电复位，还是仅按下芯片的复位管脚，其输出总是不变的。

特别芯片被复位后，整个系统并未重新上电，s所处的存储空间最开始依然保留上次程序的赋值，即使程序重启运行后，打印的结果依然是0 0.

这就意味着：

在main()函数运行之前，一定有某种机制对g和s对应的存储空间进行了清0操作。

这背后倒底发生了什么？

为了讲清楚这个问题，我们必须先了解C程序的存储结构。

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02 C程序是怎么被存储的？

2.1 程序被划分为不同区域

我们编译一个 C 程序，最终会变成可执行文件（ELF/HEX/BIN）。 其内部数据会被划分为多个区域（Section）：

区域	内容	举例
.text	可执行机器代码	函数
.rodata	只读常量	const char[]、字符串
.data	已初始化的全局/静态变量	int a = 10;
.bss	未初始化的全局/静态变量	int a;
stack	局部变量、调用栈	函数内部变量
heap	动态分配空间	malloc

本问题主角就是 .data 与 .bss。

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03 .data vs .bss 的区别是什么？

我们看下面几类变量：

int a = 19;      // 有初值 → .data
static int b = 5; // 有初值 → .data

int c;           // 无初值 → .bss
static int d;    // 无初值 → .bss
static int e = 0; // 初值为 0 → .bss

✅ 所有没有显式初始化，或初始化为 0 的全局/静态变量都进入 .bss

✅ 有非零初值，进入 .data

✅ .data

• 保存已经显式初始化的变量
• 需要在程序中放入初始值
• 运行前必须将这些初始值从 Flash 拷贝到 RAM

✅ .bss

• 保存未初始化或初始化为 0 的变量
• 不需要在可执行文件中存储实际数据
• 只需要知道长度
• 运行时统一清零即可

也就是说，.bss 占用 RAM，但节约 Flash，因为无需存储初值。

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04 C 语言为什么要求默认初始化为 0？

根据 C 标准：

未初始化的全局变量与静态变量，必须默认为 0。

这是语言层面的要求。 为什么要这样设计？

✅ 原因1：保证可预测性

全局/静态变量通常用于长期存储； 随机值可能引起不可控行为，因此标准要求初始化为 0。

✅ 原因2：方便编译器与启动代码优化

统一默认值，在启动阶段很好处理，只需清零 .bss 区。

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05 真相：谁帮它们变成 0 的？

许多人以为是 “编译器” 帮我们初始化。 其实，变量是在程序启动时由**启动代码（startup code）**完成的。

流程是：

编译 → 链接 → 下载 → 启动（清零/拷贝）→ main()

✅ 5.1 程序烧录到 Flash

最终生成的 Flash 中数据大致如下：

Section	是否存储在 Flash
.text	✅
.rodata	✅
.data	✅（包含初值）
.bss	❌（不存初值，只记录大小）

✅ 5.2 MCU 上电 → 执行启动代码

MCU 启动后执行 Startup（也叫 crt0），它会做两件事：

✅ (1) 拷贝 .data 到 RAM

Flash → RAM 因为 .data 需要带初值。

✅ (2) 清零 .bss

Startup 会做类似：

memset(bss_start, 0, bss_size);

因此 .bss 中的所有变量自然变为 0。

✅ 所以：不是编译器自动赋值，而是启动代码在运行时统一清 0

✅ 5.3 调用 main()

完成 .data/.bss 初始化后，才进入 main()。 因此我们在 main() 看到的全局/静态变量已经是正确初值了。

这就是为什么它们 “自动是 0”。

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06 为什么 .bss 单独管理可以节省空间？

如果程序中未初始化的变量叫：

static int buffer[1024];

如果把 1024 * 4 = 4KB 数据全部写入 Flash 作为初值，那岂不是浪费？

.bss 区只需要：

只记录大小，不存储实际内容

Startup 时统一清零即可。

这节约了： ✅ Flash 空间 ✅ 二进制文件体积

程序启动时，也只需用 memset 统一清零即可完成。

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07 对比一下局部变量

局部变量位于 栈（stack）：

void foo() {
    int a;
    printf("%d\n", a); // 随机值
}

栈空间不保证为 0，因此局部变量不做默认初始化。

这与全局/静态变量的“默认初始化”形成区别。

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08 小总结

类型	是否默认初始化	默认值	存放位置
全局变量	✅	0	.data / .bss
静态变量	✅	0	.data / .bss
局部变量	❌	不确定	stack

✅ .data = 已初始化 ✅ .bss = 未初始化或初值为 0

✅ 清零由 启动代码 完成 ✅ .bss 不占 Flash，节省空间

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09 想更深地玩：深入 Section、ELF、Linker Script

搞清 .data/.bss 只是理解编译器和 ARM 系统运行机制的第一步：

如果你：

• 想理解 ELF 是如何组织的？
• 想修改链接脚本自定义内存分布？
• 想知道优化 .bss/.data 带来的性能收益？
• 想理解 C 程序从源码 → 二进制 → RAM 的完整过程？
• 想学习 ARM 架构、编译器与运行机制？

那么我诚挚推荐你学习：

《ARM体系结构课程 —— 编译器使用指南》

在课程中，你会学到：

✅ ELF 文件结构 ✅ Section / Segment ✅ .data/.bss/.text 深度讲解 ✅ 链接脚本 Linker Script ✅ ARM 启动流程 boot & crt0 ✅ 变量是怎样映射到物理地址 ✅ 裸机启动中如何初始化 RAM ✅ 编译器生成的数据布局规律

不仅讲原理，还带你：

• 实操编译
• 观察 ELF
• 解析 Section
• 自己写 Linker Script
• 分析启动代码

从“会写 C”迈向“真正理解程序运行”。

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10 结语

当你读懂 .data、.bss 和启动初始化流程时，你会发现：

编程语言背后，是一整套系统工程。

这也是为什么：

• 全局/静态变量默认是 0
• 为什么 .bss 不占 Flash
• 为什么局部变量不会自动初始化

这些知识会提升你对 C 程序、本地存储布局、嵌入式系统启动流程的理解，让你在编写底层代码、诊断问题、优化性能时得心应手。

如果你希望进一步深入 欢迎加入—— 《ARM体系结构课程 —— 编译器使用指南》 带你理解程序世界的底层逻辑。

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如需，我还可以为本篇文章： ✅ 完善排版（带 emoji） ✅ 生成标题/封面文案 ✅ 制作 PPT 大纲 ✅ 做短视频脚本

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作者介绍

李述铜，嵌入式系统与底层架构领域讲师，专注于操作系统、CPU 架构的教学与研究。 出版作品《从0手写x86计算机操作系统》。主讲课程包括：《从0手写嵌入式操作系统》《从0手写TCP/IP协议栈》等。

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