操作系統(tǒng)中的棧和堆

注：這里所說的堆和棧與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆和棧不是一回事。

內(nèi)存分布

• 棧區(qū)（stack）：由系統(tǒng)自動分配，一般存放函數(shù)參數(shù)值叉谜、局部變量的值等。由編譯器自動創(chuàng)建與釋放踩萎。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧停局，即后進先出、先進后出的原則香府。

  • 例如：在函數(shù)中申明一個局部變量int b, 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間董栽。

• 堆區(qū)（heap）：一般由程序員申請并指明大小，最終也由程序員釋放企孩。如果程序員不釋放锭碳，程序結(jié)束時可能會由OS回收。對于堆區(qū)的管理是采用鏈表式管理的勿璃，操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表擒抛，當(dāng)接收到程序分配內(nèi)存的申請時，操作系統(tǒng)就會遍歷該鏈表补疑，遍歷到一個記錄的內(nèi)存地址大于申請內(nèi)存的鏈表節(jié)點歧沪，并將該節(jié)點從該鏈表中刪除，然后將該節(jié)點記錄的內(nèi)存地址分配給程序莲组。

  • 例如：在C中malloc函數(shù)
    char *p1;
    p1 = (char *)malloc(10);
    但是p1本身是在棧中的诊胞。

• 鏈表：是一種常見的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般分為單向鏈表胁编、雙向鏈表厢钧、循環(huán)鏈表。以下為單向鏈表的結(jié)構(gòu)圖：

  單向鏈表
  單向鏈表是鏈表中最簡單的一種嬉橙，它包含兩個區(qū)域早直，一個信息域和一個指針域。信息域保存或顯示關(guān)于節(jié)點的信息市框，指針域儲存下一個節(jié)點的地址霞扬。
  上述的空閑內(nèi)存地址鏈表的信息域保存的就是空閑內(nèi)存的地址。

• 全局區(qū)/靜態(tài)區(qū)：顧名思義枫振，全局變量和靜態(tài)變量存儲在這個區(qū)域喻圃。只不過初始化的全局變量和靜態(tài)變量存儲在一塊，未初始化的全局變量和靜態(tài)變量存儲在一塊粪滤。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放斧拍。

• 文字常量區(qū)：這個區(qū)域主要存儲字符串常量。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放杖小。

• 程序代碼區(qū)：這個區(qū)域主要存放函數(shù)體的二進制代碼肆汹。

下面舉一個前輩寫的例子：

//main.cpp
int a = 0; // 全局初始化區(qū)
char *p1; // 全局未初始化區(qū)
main { 
     int b; // 棧 
     char s[] = "abc"; // 棧 
    char *p2; // 棧 
    char *p3 = "123456"; // 123456\\0在常量區(qū)，p3在棧上 
    static int c =0予权； // 全局靜態(tài)初始化區(qū) 
    p1 = (char *)malloc(10); 
    p2 = (char *)malloc(20); // 分配得來的10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)       
    strcpy(p1, "123456"); // 123456\\0在常量區(qū)昂勉，這個函數(shù)的作用是將"123456" 這串字符串復(fù)制一份放在p1申請的10個字節(jié)的堆區(qū)域中。 
// p3指向的"123456"與這里的"123456"可能會被編譯器優(yōu)化成一個地址扫腺。}

strcpy函數(shù)原型聲明：extern char *strcpy(char* dest, const char *src);
功能：把從src地址開始且含有NULL結(jié)束符的字符串復(fù)制到以dest開始的地址空間岗照。

結(jié)構(gòu)體（Struct）

在C語言中，結(jié)構(gòu)體(struct)指的是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)笆环。結(jié)構(gòu)體可以被聲明為變量攒至、指針或數(shù)組等，用以實現(xiàn)較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)躁劣。結(jié)構(gòu)體同時也是一些元素的集合嗓袱，這些元素稱為結(jié)構(gòu)體的成員(member)，且這些成員可以為不同的類型习绢，成員一般用名字訪問渠抹。我們來看看結(jié)構(gòu)體的定義：

struct tag { member-list } variable-list;

• struct：結(jié)構(gòu)體關(guān)鍵字。
• tag：結(jié)構(gòu)體標(biāo)簽闪萄。
• member-list：結(jié)構(gòu)體成員列表梧却。
• variable-list：為結(jié)構(gòu)體聲明的變量列表。

在一般情況下败去，tag放航，member-list，variable-list這三部分至少要出現(xiàn)兩個圆裕。以下為示例：

// 該結(jié)構(gòu)體擁有3個成員广鳍，整型的a荆几，字符型的b，雙精度型的c
// 并且為該結(jié)構(gòu)體聲明了一個變量s1
// 該結(jié)構(gòu)體沒有標(biāo)明其標(biāo)簽
struct{ 
      int a; 
      char b; 
      double c;
} s1;
// 該結(jié)構(gòu)體擁有同樣的三個成員
// 并且該結(jié)構(gòu)體標(biāo)明了標(biāo)簽EXAMPLE
// 該結(jié)構(gòu)體沒有聲明變量
struct EXAMPLE{ 
      int a; 
      char b; 
      double c;
};
//用EXAMPLE標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)體赊时，另外聲明了變量t1吨铸、t2、t3
struct EXAMPLE t1, t2[20], *t3;

以上就是簡單結(jié)構(gòu)體的代碼示例祖秒。結(jié)構(gòu)體的成員可以包含其他結(jié)構(gòu)體诞吱，也可以包含指向自己結(jié)構(gòu)體類型的指針。結(jié)構(gòu)體的變量也可以是指針竭缝。

下面我們來看看結(jié)構(gòu)體成員的訪問房维。結(jié)構(gòu)體成員依據(jù)結(jié)構(gòu)體變量類型的不同，一般有2種訪問方式抬纸，一種為直接訪問咙俩，一種為間接訪問。直接訪問應(yīng)用于普通的結(jié)構(gòu)體變量湿故，間接訪問應(yīng)用于指向結(jié)構(gòu)體變量的指針暴浦。直接訪問使用結(jié)構(gòu)體變量名.成員名，間接訪問使用(*結(jié)構(gòu)體指針名).成員名或者使用結(jié)構(gòu)體指針名->成員名晓锻。相同的成員名稱依靠不同的變量前綴區(qū)分歌焦。

struct EXAMPLE{ 
      int a; 
      char b;
};
//聲明結(jié)構(gòu)體變量s1和指向結(jié)構(gòu)體變量的指針s2
struct EXAMPLE s1, *s2;
//給變量s1和s2的成員賦值,注意s1.a和s2->a并不是同一成員
s1.a = 5;
s1.b = 6;
s2->a = 3;
s2->b = 4;

最后我們來看看結(jié)構(gòu)體成員存儲。在內(nèi)存中砚哆，編譯器按照成員列表順序分別為每個結(jié)構(gòu)體成員分配內(nèi)存独撇。如果想確認(rèn)結(jié)構(gòu)體占多少存儲空間，則使用關(guān)鍵字sizeof躁锁，如果想得知結(jié)構(gòu)體的某個特定成員在結(jié)構(gòu)體的位置纷铣，則使用offsetof宏(定義于stddef.h)。

struct EXAMPLE{ 
      int a; 
      char b;
};
//獲得EXAMPLE類型結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存大小
int size_example = sizeof( struct EXAMPLE );
//獲得成員b相對于EXAMPLE儲存地址的偏移量
int offset_b = offsetof( struct EXAMPLE, b );

閉包（Closure）

閉包就是一個函數(shù)战转，或者一個指向函數(shù)的指針搜立，加上這個函數(shù)執(zhí)行的非局部變量。說的通俗一點槐秧，就是閉包允許一個函數(shù)訪問聲明該函數(shù)運行上下文中的變量啄踊，甚至可以訪問不同運行上文中的變量。我們用腳本語言來看一下：

function funA(callback){
      alert(callback());
}
function funB(){ 
      var str = "Hello World"; 
      // 函數(shù)funB的局部變量刁标，函數(shù)funA的非局部變量 
      funA（
           function（）{
                return str;
             } )颠通；
}

通過上面的代碼我們可以看出，按常規(guī)思維來說膀懈，變量str是函數(shù)funB的局部變量顿锰，作用域只在函數(shù)funB中，函數(shù)funA是無法訪問到str的。但是上述代碼示例中函數(shù)funA中的callback可以訪問到str硼控，這是為什么呢刘陶，因為閉包性。

block原型及定義

我們來看看block的原型：

NSString * ( ^ myBlock )( int );

上面的代碼聲明了一個block(^)原型牢撼，名字叫做myBlock匙隔，包含一個int型的參數(shù)，返回值為NSString類型的指針浪默。
下面來看看block的定義：

myBlock = ^( int paramA ){ 
      return [ NSString stringWithFormat: @"Passed number: %i", paramA ];
};

上面的代碼中牡直，將一個函數(shù)體賦值給了myBlock變量缀匕，其接收一個名為paramA的參數(shù)纳决，返回一個NSString對象。
注意：一定不要忘記block后面的分號乡小。

定義好block后阔加，就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)一樣使用它了：

myBlock(7);

由于block數(shù)據(jù)類型的語法會降低整個代碼的閱讀性，所以常使用typedef來定義block類型满钟。例如胜榔，下面的代碼創(chuàng)建了GetPersonEducationInfo和GetPersonFamilyInfo
兩個新類型，這樣我們就可以在下面的方法中使用更加有語義的數(shù)據(jù)類型湃番。

// Person.h
#import <Foundation/Foundation.h>
// Define a new type for the blocktypedef 
NSString * (^GetPersonEducationInfo)(NSString *);
typedef NSString * (^GetPersonFamilyInfo)(NSString *);
@interface Person : NSObject
- (NSString *)getPersonInfoWithEducation:(GetPersonEducationInfo)educationInfo andFamily:(GetPersonFamilyInfo)familyInfo;
@end

我們用一張大師文章里的圖來總結(jié)一下block的結(jié)構(gòu)：

block

// .h
-(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock;
// .m
-(void) testBlock:( NSString * ( ^ )( int ) )myBlock{
     NSLog(@"Block returned: %@", myBlock(7) );
}

由于Objective-C是強制類型語言夭织，所以作為函數(shù)參數(shù)的block也必須要指定返回值的類型，以及相關(guān)參數(shù)類型吠撮。

閉包性

上文說過尊惰，block實際是Objc對閉包的實現(xiàn)。我們來看看下面代碼：

#import <Cocoa/Cocoa.h>
void logBlock( int ( ^ theBlock )( void ) ){ 
     NSLog( @"Closure var X: %i", theBlock() );
}
int main( void ){
    NSAutoreleasePool * pool; 
    int ( ^ myBlock )( void ); 
    int x;
    pool = [ [ NSAutoreleasePool alloc ] init ]; 
    x = 42; 
    myBlock = ^( void ) { 
          return x; 
    }; 
    logBlock( myBlock ); 
    [ pool release ]; 
    return EXIT_SUCCESS;
}

上面的代碼在main函數(shù)中聲明了一個整型泥兰，并賦值42弄屡，另外還聲明了一個block，該block會將42返回鞋诗。然后將block傳遞給logBlock函數(shù)膀捷，該函數(shù)會顯示出返回的值42。即使是在函數(shù)logBlock中執(zhí)行block削彬，而block又聲明在main函數(shù)中全庸，但是block仍然可以訪問到x變量，并將這個值返回融痛。
注意：block同樣可以訪問全局變量糕篇，即使是static。

block中變量的復(fù)制與修改

對于block外的變量引用酌心，block默認(rèn)是將其復(fù)制到其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)訪問的拌消，如下圖：

copy variables

myBlock = ^( void ){ x++; return x;};

編譯器會報錯氓英，表明在block中變量x是只讀的。有時候確實需要在block中處理變量鹦筹，怎么辦铝阐？別著急，我們可以用__block關(guān)鍵字來聲明變量铐拐，這樣就可以在block中修改變量了徘键。基于之前的代碼遍蟋，給x變量添加__block關(guān)鍵字吹害，如下：

__block int x;

對于用__block修飾的外部變量引用，block是復(fù)制其引用地址來實現(xiàn)訪問的虚青，如下圖：

ref variables

編譯器中的block

C

上圖這個結(jié)構(gòu)是在棧中的結(jié)構(gòu)它呀，我們來看看對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體定義：

struct Block_descriptor { 
      unsigned long int reserved; 
      unsigned long int size; 
      void (*copy)(void *dst, void *src);
      void (*dispose)(void *);
};
struct Block_layout { 
      void *isa; 
      int flags; 
      int reserved; 
      void (*invoke)(void *, ...); 
      struct Block_descriptor *descriptor; 
      /* Imported variables. */
};

從上面代碼看出，Block_layout就是對block結(jié)構(gòu)體的定義：

• isa指針：指向表明該block類型的類棒厘。
• flags：按bit位表示一些block的附加信息纵穿，比如判斷block類型、判斷
• block引用計數(shù)奢人、判斷block是否需要執(zhí)行輔助函數(shù)等谓媒。
• reserved：保留變量，我的理解是表示block內(nèi)部的變量數(shù)何乎。
• invoke：函數(shù)指針句惯，指向具體的block實現(xiàn)的函數(shù)調(diào)用地址。
• descriptor：block的附加描述信息宪赶，比如保留變量數(shù)宗弯、block的大小、進行copy或dispose的輔助函數(shù)指針搂妻。
• variables：因為block有閉包性蒙保，所以可以訪問block外部的局部變量。這些variables就是復(fù)制到結(jié)構(gòu)體中的外部局部變量或變量的地址欲主。

block的類型

block有幾種不同的類型邓厕，每種類型都有對應(yīng)的類，上述中isa
指針就是指向這個類扁瓢。這里列出常見的三種類型：
_NSConcreteGlobalBlock：全局的靜態(tài)block详恼，不會訪問任何外部變量，不會涉及到任何拷貝引几，比如一個空的block昧互。例如：

#include <stdio.h>
int main(){ 
      ^{ printf("Hello, World!\\n"); } (); 
      return 0;
}

_NSConcreteStackBlock：保存在棧中的block，當(dāng)函數(shù)返回時被銷毀。例如：

#include <stdio.h>
int main(){
    char a = 'A'; 
        ^{ printf("%c\\n",a); } (); 
      return 0;
}

_NSConcreteMallocBlock：保存在堆中的block敞掘，當(dāng)引用計數(shù)為0時被銷毀挨务。該類型的block都是由_NSConcreteStackBlock類型的block從棧中復(fù)制到堆中形成的芒炼。例如下面代碼中癌瘾，在exampleB_addBlockToArray方法中的block還是_NSConcreteStackBlock類型的记劈，在exampleB方法中就被復(fù)制到了堆中，成為_NSConcreteMallocBlock類型的block：

void exampleB_addBlockToArray(NSMutableArray *array) {              
      char b = 'B';     
      [array addObject:^{       
            printf("%c\\n", b);     
      }];
}
void exampleB() {   
      NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];         
      exampleB_addBlockToArray(array);  
      void (^block)() = [array objectAtIndex:0];    
      block();
}

總結(jié)一下：
_NSConcreteGlobalBlock類型的block要么是空block赫冬，要么是不訪問任何外部變量的block浓镜。它既不在棧中，也不在堆中劲厌，我理解為它可能在內(nèi)存的全局區(qū)膛薛。
_NSConcreteStackBlock類型的block有閉包行為，也就是有訪問外部變量脊僚，并且該block只且只有有一次執(zhí)行相叁，因為棧中的空間是可重復(fù)使用的遵绰，所以當(dāng)棧中的block執(zhí)行一次之后就被清除出棧了辽幌，所以無法多次使用。
_NSConcreteMallocBlock類型的block有閉包行為椿访，并且該block需要被多次執(zhí)行乌企。當(dāng)需要多次執(zhí)行時，就會把該block從棧中復(fù)制到堆中成玫，供以多次執(zhí)行加酵。

編譯器如何編譯

我們通過一個簡單的示例來說明：

#import <dispatch/dispatch.h>
typedef void(^BlockA)(void);
__attribute__((noinline))
void runBlockA(BlockA block) { 
      block();
}
void doBlockA() { 
      BlockA block = ^{ 
        // Empty block 
      }; 
      runBlockA(block)
;}

上面的代碼定義了一個名為BlockA的block類型，該block在函數(shù)doBlockA中實現(xiàn)哭当，并將其作為函數(shù)runBlockA的參數(shù)猪腕，最后在函數(shù)doBlockA中調(diào)用函數(shù)runBloackA。

注意：如果block的創(chuàng)建和調(diào)用都在一個函數(shù)里面钦勘，那么優(yōu)化器(optimiser)可能會對代碼做優(yōu)化處理陋葡，從而導(dǎo)致我們看不到編譯器中的一些操作，所以用__attribute__((noinline))給函數(shù)runBlockA添加noinline彻采，這樣優(yōu)化器就不會在doBlockA函數(shù)中對runBlockA的調(diào)用做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化處理腐缤。

我們來看看編譯器做的工作內(nèi)容：

#import <dispatch/dispatch.h>
__attribute__((noinline))
void runBlockA(struct Block_layout *block) { 
      block->invoke();
}
void block_invoke(struct Block_layout *block) { 
      // Empty block function
}
void doBlockA() { 
      struct Block_descriptor descriptor;
      descriptor->reserved = 0; 
      descriptor->size = 20; 
      descriptor->copy = NULL; 
      descriptor->dispose = NULL; 
      struct Block_layout block; 
      block->isa = _NSConcreteGlobalBlock; 
      block->flags = 1342177280; 
      block->reserved = 0; 
      block->invoke = block_invoke; 
      block->descriptor = descriptor; 
      runBlockA(&block);
}

上面的代碼結(jié)合block的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，我們能很容易得理解編譯器內(nèi)部對block的工作內(nèi)容肛响。

copy()和dispose()

上文中提到岭粤，如果我們想要在以后繼續(xù)使用某個block，就必須要對該block進行拷貝操作特笋，即從椞杲剑空間復(fù)制到堆空間。所以拷貝操作就需要調(diào)用Block_copy()函數(shù)，block的descriptor中有一個copy()輔助函數(shù)虎囚，該函數(shù)在Block_copy()中執(zhí)行臼寄，用于當(dāng)block需要拷貝對象的時候，拷貝輔助函數(shù)會retain住已經(jīng)拷貝的對象溜宽。

既然有有copy那么就應(yīng)該有release吉拳，與Block_copy()對應(yīng)的函數(shù)是Block_release()，它的作用不言而喻适揉，就是釋放我們不需要再使用的block留攒，block的descriptor中有一個dispose()輔助函數(shù)，該函數(shù)在Block_release()中執(zhí)行嫉嘀，負(fù)責(zé)做和copy()輔助函數(shù)相反的操作炼邀，例如釋放掉所有在block中拷貝的變量等。

總結(jié)

以上內(nèi)容是我學(xué)習(xí)各大師的文章后對自己學(xué)習(xí)情況的一個記錄剪侮，其中有部分文字和代碼示例是來自大師的文章拭宁，還有一些自己的理解，如有錯誤還請大家勘誤瓣俯。