C++之内存存储+一条进程的栈区、堆区、数据区和代码区在内存中的映射

时间:2021-07-11 00:37:30
在C\C++中,通常可以把内存理解为4个分区:栈、堆、全局/静态存储区和常量存储区。下面我们分别简单地介绍一下各自的特点。

1 栈

        通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的变量的存储区,用于在函数作用域内创建,在离开作用域后自动销毁的变量的存储区。通常是局部变量,函数参数等的存储区。他的存储空间是连续的,两个紧密挨着定义的局部变量,他们的存储空间也是紧挨着的。栈的大小是有限的,通常Visual C++编译器的默认栈的大小为1MB,所以不要定义int a[1000000]这样的超大数组。

2 堆

        通常是用于那些在编译期间不能确定存储大小的变量的存储区,它的存储空间是不连续的,一般由malloc(或new)函数来分配内存块,并且需要用free(delete)函数释放内存。如果程序员没有释放掉,那么就会出现常说的内存泄漏问题。需要注意的是,两个紧挨着定义的指针变量,所指向的malloc出来的两块内存并不一定的是紧挨着的,所以会产生内存碎片。另外需要注意的一点是,堆的大小几乎不受限制,理论上每个程序最大可达4GB。

3 全局/静态存储区

        和“栈”一样,通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的变量的存储区,但它用于的是在整个程序运行期间都可见的全局变量和静态变量。

4 常量存储区

        和“全局/静态存储区”一样,通常是用于那些在编译期间就能确定存储大小的常量的存储区,并且在程序运行期间,存储区内的常量是全局可见的。这是一块比较特殊的存储去,他们里面存放的是常量,不允许被修改。

5 总结

        根据上面的内容,分别将栈和堆、全局/静态存储区和常量存储区进行对比,结果如下。

表1 栈和堆的对比

 

存储内容

局部变量

变量

作用域

函数作用域、语句块作用域

函数作用域、语句块作用域

编译期间大小是否确定

大小

1MB

4GB

内存分配方式

地址由高向低减少

地址由低向高增加

内容是否可以修改

 
表2 全局/静态存储区和常量存储区的对比


全局/静态存储区

常量存储区

存储内容

全局变量、静态变量

常量

编译期间大小是否确定

内容是否可以修改




l          栈区:主要用来存放局部变量, 传递参数, 存放函数的返回地址。.esp 始终指向栈顶, 栈中的数据越多, esp的值越小。

l          堆区:用于存放动态分配的对象, 当你使用 malloc和new 等进行分配时,所得到的空间就在堆中。动态分配得到的内存区域附带有分配信息, 所以你能够 free和delete它们。

l          数据区:全局,静态和常量是分配在数据区中的,数据区包括bss(未初始化数据区)和初始化数据区。

注意:

1)     堆向高内存地址生长;

2)     栈向低内存地址生长;

3)     堆和栈相向而生,堆和栈之间有个临界点,称为stkbrk。

 

1、一条进程在内存中的映射

    假设现在有一个程序,它的函数调用顺序如下:

main(...) ->; func_1(...) ->; func_2(...) ->; func_3(...),即:主函数main调用函数func_1; 函数func_1调用函数func_2; 函数func_2调用函数func_3。

当一个程序被操作系统调入内存运行, 其对应的进程在内存中的映射如下图所示:

 

C++之内存存储+一条进程的栈区、堆区、数据区和代码区在内存中的映射

注意:

l          随着函数调用层数的增加,函数栈帧是一块块地向内存低地址方向延伸的;

l          随着进程中函数调用层数的减少(即各函数调用的返回),栈帧会一块块地被遗弃而向内存的高址方向回缩;

l          各函数的栈帧大小随着函数的性质的不同而不等, 由函数的局部变量的数目决定。

 

l          未初始化数据区(BSS):用于存放程序的静态变量,这部分内存都是被初始化为零的;而初始化数据区用于存放可执行文件里的初始化数据。这两个区统称为数据区。

 

l          Text(代码区):是个只读区,存放了程序的代码。任何尝试对该区的写操作会导致段违法出错。代码区是被多个运行该可执行文件的进程所共享的。   

 

l          进程对内存的动态申请是发生在Heap(堆)里的。随着系统动态分配给进程的内存数量的增加,Heap(堆)有可能向高址或低址延伸, 这依赖于不同CPU的实现,但一般来说是向内存的高地址方向增长的。

 

l          在未初始化数据区(BSS)或者Stack(栈区)的增长耗尽了系统分配给进程的*内存的情况下,进程将会被阻塞, 重新被操作系统用更大的内存模块来调度运行。

 

l          函数的栈帧:包含了函数的参数(至于被调用函数的参数是放在调用函数的栈帧还是被调用函数栈帧, 则依赖于不同系统的实现)。函数的栈帧中的局部变量以及恢复该函数的主调函数的栈帧(即前一个栈帧)所需要的数据, 包含了主调函数的下一条执行指令的地址。

 

 

2、  函数的栈帧

    函数调用时所建立的栈帧包含下面的信息:

1)     函数的返回地址。返回地址是存放在主调函数的栈帧还是被调用函数的栈帧里,取决于不同系统的实现;

2)     主调函数的栈帧信息, 即栈顶和栈底;

3)     为函数的局部变量分配的栈空间;

4)     为被调用函数的参数分配的空间取决于不同系统的实现。

 

注意:

l          BSS区(未初始化数据段):并不给该段的数据分配空间,仅仅是记录了数据所需空间的大小。

l          DATA(初始化的数据段):为数据分配空间,数据保存在目标文件中。