C内存管理
一般而言,分配给进程的内存有四个概念上不同的区域,分别为:代码段、数据段、堆和栈,其中数据段又可以细分为初始化为非零的数据和初始化为零的数据。如下图所示:
1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区(heap) — 一般由程序员分配释放 , 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表。
3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域(BSS)。 - 程序结束后由系统释放
4、文字常量区 — 常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放
5、程序代码区— 存放函数体的二进制代码。
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| 程序栈 |----------高地址--〉低地址
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| 堆 |----------向上增长
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| BSS |----------数据段
| 全局和静态变量 |
------------------- ----------低地址
| 可执行代码 |----------代码段
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可执行指令放在代码段中,任何时刻,内存中只有一份相同程序的指令拷贝,多个实例共享这些代码。
初始化为非零的静态数据和全局数据存放在数据段中,运行相同程序的每个进程,有自己的数据段。
初始化为零的全局数据和静态分配数据存放在进程的BSS区域中,每个运行的进程都有自己的BSS,程序运行的时候,将数据放到数据段中,由此可知,只有初 始化为非零的变量才占用空间,所以对于类似static int ss[1024];这样的数组自动用0来填充,它占的空间很小。
堆,动态内存来自于堆,即:通过malloc得到的空间,通常情况下,堆是向上增长的,即:后面分配的地址比前面的地址在数值上大一些。
栈,分配本地变量的地方,函数参数、函数的返回值和返回地址也放在栈空间中,需要特别注意的是,当函数返回后,存储在栈空间中的函数变量“自动消失”,空间被其他函数使用。栈空间是向下增长的。
物理内存和虚拟内存
要理解内存在程序中是如何分配的,首先需要理解如何将内存从操作系统分配给程序。计算机上的每一个进程都认为自己可以访问所有的物理内存。显然,由于同时在运行多个程序,所以每个进程不可能拥有全部内存。实际上,这些进程使用的是 虚拟内存。
只 是作为一个例子,让我们假定您的程序正在访问地址为 629 的内存。不过,虚拟内存系统不需要将其存储在位置为 629 的 RAM 中。实际上,它甚 至可以不在 RAM 中 —— 如果物理 RAM 已经满了,它甚至可能已经被转移到硬盘上!由于这类地址不必反映内存所在的物理位置,所以它们被称为虚 拟内存。操作系统维持着一个虚拟地址到物理地址的转换的表,以便计算机硬件可以正确地响应地址请求。并且,如果地址在硬盘上而不是在 RAM 中,那么操 作系统将暂时停止您的进程,将其他内存转存到硬盘中,从硬盘上加载被请求的内存,然后再重新启动您的进程。这样,每个进程都获得了自己可以使用的地址空 间,可以访问比您物理上安装的内存更多的内存。
在 32-位 x86 系统上,每一个进程可以访问 4 GB 内存。现在,大部分人的系统上并没有 4 GB 内存,即使您将 swap 也算上, 每个进程所使用的内存也肯定少于 4 GB。因此,当加载一个进程时,它会得到一个取决于某个称为 系统中断点(system break)的 特定地址的初始内存分配。该地址之后是未被映射的内存 —— 用于在 RAM 或者硬盘中没有分配相应物理位置的内存。因此,如果一个进程运行超出了它初 始分配的内存,那么它必须请求操作系统“映射进来(map in)”更多的内存。(映射是一个表示一一对应关系的数学术语 —— 当内存的虚拟地址有一个 对应的物理地址来存储内存内容时,该内存将被映射。)
1、内存分配方面:
堆:一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式是类似于链表。可能用到的关键字如下:new、malloc、delete、free等等。
栈:由编译器(Compiler)自动分配释放,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、申请方式方面:
堆:需要程序员自己申请,并指明大小。在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10);在C++中用new运算符,但是注意p1、p2本身是在栈中的。因为他们还是可以认为是局部变量。
栈:由系统自动分配。 例如,声明在函数中一个局部变量 int b;系统自动在栈中为b开辟空间。
3、系统响应方面:
堆:操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,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,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样代码中的delete语句才能正确的 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,系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
栈:只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。
4、大小限制方面:
堆:是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。
栈:在Windows下, 栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在WINDOWS下,栈的大小是固定 的(是一个编译时就确定的常数),如果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。
5、效率方面:
堆:是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便,另外,在WINDOWS下,最好的方式是用 VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。
栈:由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
6、存放内容方面:
堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。
栈:在函数调用时第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址然后是函数的各个参数,在大多数的C编译器中,参数是由 右往左入栈,然后是函数中的局部变量。 注意: 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,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存的地址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续 运行。
7、存取效率方面:
堆:char *s1 = "Hellow Word";是在编译时就确定的;
栈:char s1[] = "Hellow Word"; 是在运行时赋值的;用数组比用指针速度要快一些,因为指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下,而数组在栈上直接读取。