C/C++程序为例内存分布详解

川长思鸟来 2022-04-11 05:49 175阅读 0赞

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\[align=center\]\[img\]http://blog.chinaunix.net/photo/85561\_081230114738.jpg\[/img\]\[/align\]  
  
\[size=medium\]\[b\]程序的内存分配\[/b\]\[/size\]  
一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分  
\[color=red\] 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，呵呵。  
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。 - 程序结束后有系统释放  
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(text)—存放函数体的二进制代码。\[/color\]  
  
例子程序

//main.cpp
    int a = 0; //全局初始化区
    char *p1; //全局未初始化区
    
    main()
    {
       
        int b; //栈
        char s[] = "abc"; //栈
        char *p2; //栈
        char *p3 = "123456"; //123456在常量区，p3在栈上。
        static int c = 0； //全局（静态）初始化区
    
        p1 = (char *)malloc(10);
        p2 = (char *)malloc(20);
        //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
    
        strcpy(p1, "123456");
        //123456放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一块。
    }

\[b\]堆和栈的理论知识\[/b\]  
  
申请方式  
stack:  
  
\[quote\]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\[/quote\]  
  
heap:  
  
\[quote\]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  
如p2 = (char \*)malloc(10);  
但是注意p1、p2本身是在栈中的。\[/quote\]  
  
  
\[b\] 申请后系统的响应\[/b\]  
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。  
堆：首先应该知道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。  
  
  
\[b\] 申请大小的限制\[/b\]  
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2M（也有的说是1M，总之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。  
堆：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。  
  
  
\[b\] 申请效率的比较：\[/b\]  
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。  
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。  
  
  
\[b\] 堆和栈中的存储内容\[/b\]  
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 右往左入栈的，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。  
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。  
  
  
\[b\] 存取效率的比较\[/b\]  
  
\[quote\]char s1\[\] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  
char \*s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";\[/quote\]  
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；  
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；  
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(例如堆)快。  
  
比如：

#i nclude <...>
    void main()
    {
       
    
    char a = 1;
    char c[] = "1234567890";
    char *p ="1234567890";
    a = c[1];
    a = p[1];
    return;
    }

对应的汇编代码

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就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。  
  
  
\[b\]堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：\[/b\]  
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。  
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。  
  
  
\[b\]堆和栈的区别主要分：\[/b\]  
操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。  
还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的 性质的数学或数据结构。  
虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。  
  
  
\[url\]http://blog.csdn.net/imyfriend/article/details/8497103\[/url\]  
对任何一个普通C++程序来讲，它都会涉及到5种不同的数据段。常用的几个数据段种包含有“程序代码段”、“程序数据段”、“程序堆栈段”等。不错，这几种数据段都在其中，但除了以上几种数据段之外，进程还另外包含两种数据段。下面我们来简单归纳一下进程对应的内存空间中所包含的5种不同的数据区。  
\[align=center\]\[img\]https://img-my.csdn.net/uploads/201301/12/1357999974\_9099.png\[/img\]\[/align\]  
  
\[i\]\[b\]代码段：\[/b\]\[/i\]代码段是用来存放可执行文件的操作指令，也就是说是它是可执行程序在内存种的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只准许读取操作，而不允许写入（修改）操作——它是不可写的。  
\[i\]\[b\]数据段：\[/b\]\[/i\]数据段用来存放可执行文件中已初始化全局变量，换句话说就是存放程序静态分配的变量和全局变量。  
\[i\]\[b\]BSS段：\[/b\]\[/i\]BSS段包含了程序中未初始化全局变量，在内存中bss段全部置零。  
\[i\]\[b\]堆（heap）：\[/b\]\[/i\]堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc/new等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）  
\[i\]\[b\]栈：\[/b\]\[/i\]栈是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧“\{\}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味这在数据段中存放变量）。除此以外在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也回被存放回栈中。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上将我们可以把堆栈看成一个临时数据寄存、交换的内存区。  
  
\[align=center\]\[img\]https://img-my.csdn.net/uploads/201301/12/1357999990\_1764.png\[/img\]\[/align\]  
我们要知道，栈中存放的是一个个被调函数所对应的堆栈帧，当函数fun1被调用，则fun1的堆栈帧入栈，fun1返回时，fun1的堆栈帧出栈。什么是堆栈帧呢，堆栈帧其实就是保存被调函数返回时下一条执行指令的指针、主调函数的堆栈帧的指针、主调函数传递给被调函数的实参(如果有的话)、被调函数的局部变量等信息的一个结构。  
首先，我们要说明的是如何区分每个堆栈帧，或者说，如何知道我现在在使用哪个堆栈帧。和栈密切相关的有2个寄存器，一个是ebp,一个是esp,前者可以叫作栈基址指针，后者可以叫栈顶指针。对于一个堆栈帧来说，ebp也叫堆栈帧指针,它永远指向这个堆栈帧的某个固定位置(见上图)，所以可以根据ebp来表示一个堆栈帧，可以通过对ebp的偏移加减，来在堆栈帧中来来回回的访问。esp则是随着push和pop而不断移动。因此根据esp来对堆栈帧进行操作。  
再来讲一下上图，一个堆栈帧的最顶部，是实参，然后是return address,这个值是由主调函数中的call命令在call调用时自动压入的，不需要我们关心，previousframe pointer,就是主调函数的堆栈帧指针，也就是主调函数的ebp值。ebp偏移为正的都是被调函数的局部变量。