内存四区

内存管理 内存分配 评论

定义

内存四区包含静态区、代码区、堆区、栈区

静态区

全局变量和静态变量存储在静态区

堆区

malloc的变量放在堆区，堆区一般由程序员分配释放。若程序员不释放，程序结束时可由操作系统回收。其分配方式类似于链表，在内存中的分布不是连续的，它们是不同区域的内存块通过指针链接起来的。一旦某一节点从链中断开，我们就要人为的将断开的节点从内存中释放。

  • 堆的增长方式
    由低地址向高地址

    栈区

局部变量存在栈区，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值。其操作方式类似数组，它的内存分配是连续分配的，即分配的内存是一块连续的内存区域。当声明变量时，编译器会自动接着当前栈区的结尾继续分配内存。

  • 栈的增长方式
    由高地址向低地址，函数参数载入时由右向左

    常量区

常量字符串存放于此，程序结束后由系统自动释放

代码区

存放函数体的二进制代码
一个正常的程序在内存中通常分为程序段、数据段和堆栈三部分。程序段放着程序的机器码、只读数据。这个段通常是只读，对它的写操作是非法的。数据段放的是程序中的静态数据，动态数据则通过堆栈来存放。

内存低端——-
程序段
数据段
堆 栈
内存高端——-

堆栈是内存中的一个连续的块，一个叫堆栈指针的寄存器（SP）指向堆栈的栈顶，堆栈的底部是一个固定地址。堆栈有一个特点就是，后进先出。也就是说，后放入的数据第一个取出。它支持两个操作，PUSH和POP。PUSH是将数据放到栈的顶端，POP是将栈顶的数据取出。

在高级语言中，程序函数调用、函数中的临时变量都用到堆栈。为什么呢？因为在调用一个函数时，我们需要对当前的操作进行保护，也为了函数执行后，程序可以正确的找到地方继续执行，所以参数的传递和返回值也用到了堆栈。

通常对局部变量的引用是通过给出它们对SP的偏移量来实现的，另外还有一个基址指针（FP，在Intel芯片中是BP），许多编译器实际上是用它来引用本地变量和参数的。
通常，参数的相对FP的偏移是正的，局部变量是负的。

当程序中发生函数调用时，计算机做如下操作：首先把参数压入堆栈；然后保存指令寄存器(IP)中的内容，做为返回地址(RET)；第三个放入堆栈的是基址寄存器(FP)；然后把当前的栈指针(SP)拷贝到FP，做为新的基地址；最后为本地变量留出一定空间，把SP减去适当的数值。

堆和栈的基础知识

申请方式

  • 栈
    系统自动分配，声明局部变量int b;
    系统自动在栈中为b分配空间
  • 堆
    程序员自己申请，并指明大小，在C中使用malloc函数，如p1 = (char *)malloc(10);
    在C++中使用new运算符。但是，p1和p2本身是在栈中存储的。

    申请后系统的响应

  • 栈
    只要栈的剩余空间大于所申请的空间，系统就为程序提供内存，否则将异常提示栈溢出
  • 堆
    在操作系统中，有一个记录空闲内存地址的链表。当系统收到程序申请内存空间时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。另外，对大多数系统来说，会在这块内存空间的首地址处记录本次分配的大小。这样，代码中的delete语句才能释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统自动会将多余的那部分重新放入空闲链表中。

    申请大小的限制

  • 栈
    在Windows中，栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域，即栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的。在Windows下，栈的大小是2M（它是编译时就确定的常数）。若申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
  • 堆
    堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。由于系统是用链表来存储空闲的内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆得大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可知，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

    申请效率的比较

  • 栈
    由系统自动分配，速度较快，但程序员无法控制。
  • 堆
    用户由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来方便。

在Windows下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，它不在堆，也不在栈，是直接在进程的地址空间中保留一块内存。虽然用起来最不方便，但是速度快，也最灵活。

堆和栈的存储内容

  • 栈
    在函数调用时，第一个进栈的是主函数中被调函数的下一条可执行语句的地址。然后是函数的各个参数，在大多数C编译器中，参数是由右往左入栈的，接着是函数中的局部变量。其中，静态变量是不入栈的。
    当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是函数参数，最后是栈顶指针指向最开始存的地址，即主函数中的下一条指令，程序由该点继续往下执行。
  • 堆
    一般是在堆得头部用一个字节存放堆得大小，堆中具体内容由程序员安排。

    存取效率的比较

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char s1[] = "aaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbb";

aaaaaaaa是在运行时进行赋值的，bbbbb是在编译时就确定了的。但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串（如堆）快。

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#include<stdio.h>
int main(){
	char a = 1;
	char c[] = "123456";
	char *p = "123456";
	a = c[1];
	a = p[1];
	return 0;
}

对应的汇编：

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10: a = c[1];   
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]   
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl   
11: a = p[1];   
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]   
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]   
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

第一种在读取时直接将字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则先把指针值读取到edx中，再根据edx读取字符串。

总结

  • 堆和栈的区别：
    使用栈就如去饭店吃饭，只需点菜（申请内存），付钱并吃（使用），不必做扫尾等工作，好处是快捷，但自由度小；
    使用堆就如自己做菜，做自己想吃的，自由行大；
    这里的堆实际指满足堆性质的优先队列的一种数据结构，第一个元素有最高的优先权；栈实际上是满足先进后出的性质的数据结构。

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