參考自《程序員的自我修養(yǎng)》

程序的內(nèi)存布局

在學(xué)習(xí)內(nèi)存布局之前今豆，建議先了解一下程序是如何映射到內(nèi)存中的
〉坪現(xiàn)代的應(yīng)用程序都運(yùn)行在一個(gè)內(nèi)存空間里撇簿。在32位的系統(tǒng)里聂渊，這個(gè)內(nèi)存空間擁有4GB（2的32次方）的尋址能力。在平坦內(nèi)存模型中四瘫，整個(gè)內(nèi)存空間是一個(gè)統(tǒng)一的地址空間汉嗽，用戶可以使用一個(gè)指針訪問任意內(nèi)存位置。例如：

int *p = (int *)0x12345678;
++*p;

這段代碼展示了如何直接讀寫指定地址的內(nèi)存數(shù)據(jù)莲组。但是诊胞，大多數(shù)操作系統(tǒng)的內(nèi)存空間實(shí)際上是不平坦的，它們一般都會(huì)將系統(tǒng)內(nèi)存分為兩部分锹杈，一部分給內(nèi)核使用一部分給應(yīng)用程序使用撵孤。我們成為內(nèi)核空間和用戶空間。將用戶空間和內(nèi)核空間置于這種非對(duì)稱訪問機(jī)制下有很好的安全性竭望，能有效抵御惡意用戶的窺探邪码，也能防止質(zhì)量低劣的用戶程序的侵害，從而使系統(tǒng)運(yùn)行得更穩(wěn)定可靠咬清。

內(nèi)核空間

內(nèi)核空間是給內(nèi)核使用的闭专，應(yīng)用程序無法訪問這一空間。內(nèi)核空間是為了讓系統(tǒng)一部分核心軟件獨(dú)立于普通應(yīng)用程序旧烧，運(yùn)行在較高的特權(quán)級(jí)別上影钉，它們駐留在被保護(hù)的內(nèi)存空間上，擁有訪問硬件設(shè)備的所有權(quán)限掘剪。

用戶空間

用戶空間是給應(yīng)用程序使用的平委。用戶空間的代碼運(yùn)行在較低的特權(quán)級(jí)別上，只能看到允許它們使用的部分系統(tǒng)資源夺谁，并且不能使用某些特定的系統(tǒng)功能廉赔，也不能直接訪問內(nèi)核空間和硬件設(shè)備，以及其他一些具體的使用限制匾鸥。用戶空間又可以將地址空間分成如下不同的區(qū)域：

• 棧：棧用于維護(hù)函數(shù)調(diào)用的上下文蜡塌，離開了棧函數(shù)調(diào)用就沒法實(shí)現(xiàn)。棧通常在用戶空間的最高地址出分配勿负，地址是由高往低走的馏艾。
• 堆：堆是用來容納容納應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存區(qū)域，當(dāng)程序使用malloc或new分配內(nèi)存時(shí)，得到的內(nèi)存來自堆里琅摩。堆通常存在于棧的下方（低地址方向）厚者，在某些時(shí)候，堆可能沒有固定統(tǒng)一的存儲(chǔ)區(qū)域迫吐。堆一般比棧大很多。
• 可執(zhí)行文件映像：這里存儲(chǔ)著可執(zhí)行文件在內(nèi)存里的映像账忘，由裝載器在裝載時(shí)將可執(zhí)行文件的內(nèi)存讀取到這里志膀。

可執(zhí)行文件又可分為數(shù)據(jù)段和代碼段。數(shù)據(jù)段有DATA段和BSS段組成鳖擒。DATA是已初始化的數(shù)據(jù)段溉浙，占文件空間，也占物理內(nèi)存蒋荚；BSS未初始化的數(shù)據(jù)段戳稽，但其實(shí)并不包含數(shù)據(jù)，僅維護(hù)一個(gè)開始地址和結(jié)束地址期升，BSS段的數(shù)據(jù)默認(rèn)都是零惊奇，所以在二進(jìn)制可執(zhí)行文件的文件頭內(nèi)，其實(shí)是不存在BSS段的播赁，所以BSS不占文件空間颂郎，只占物理內(nèi)存。代碼段是存放程序代碼的地方容为，同時(shí)也是只讀的乓序，比如我們的char *str = “hello world”; 就是存放在只讀數(shù)據(jù)區(qū)，其實(shí)和代碼段在一起坎背，因此替劈，在程序中我們不可以修改這個(gè)字符串。

• 保留區(qū)：保留區(qū)并不是單一的內(nèi)存區(qū)域得滤，而是內(nèi)存中受到保護(hù)而禁止訪問的內(nèi)存區(qū)域的總稱陨献，例如，大多數(shù)操作系統(tǒng)里耿戚，極小的地址通常都是不允許訪問的湿故，如NULL。通常C語言將無效指針賦值為0也是出于這個(gè)考慮膜蛔，因?yàn)?地址正常情況下不可能有有效的可訪問數(shù)據(jù)坛猪。
  以下是一個(gè)典型的進(jìn)程內(nèi)存布局：

  
  
  內(nèi)存布局.png
  
  

  圖中有一個(gè)前面沒有提到的動(dòng)態(tài)鏈接庫映射區(qū)（dynamic libraries），這個(gè)區(qū)域用于映射裝載的動(dòng)態(tài)鏈接庫皂股。如果程序依賴其他共享庫墅茉，共享庫將被載入該空間。
  圖中的箭頭可以看出棧是由高地址向低地址增長的，而堆是由低地址向高地址增長的就斤。當(dāng)它們大小不夠用時(shí)悍募，就會(huì)按上面的方法增長方向擴(kuò)大自身尺寸，直到未使用空間被用完為止洋机。

棧與函數(shù)調(diào)用

什么是棧

棧（stack）其實(shí)本身是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)坠宴，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，棧被定義為一個(gè)特殊的容器绷旗，是一個(gè)具有先進(jìn)后出屬性的動(dòng)態(tài)內(nèi)存區(qū)域喜鼓。程序可以將數(shù)據(jù)壓入棧中（入棧，push）衔肢，也可以將已壓入棧中的數(shù)據(jù)彈出（出棧庄岖，pop），但它必須遵循一個(gè)原則角骤，那就是先進(jìn)后出（First In Last Out隅忿，F(xiàn)ILO)。棧的增長方向是向下增長邦尊，即由高地址向低地址方向背桐。以下是一個(gè)棧的示例：

棧結(jié)構(gòu).png

棧有什么作用

用于維護(hù)函數(shù)調(diào)用的上下文，離開了棧函數(shù)調(diào)用沒法實(shí)現(xiàn)挺勿。棧中保存了一個(gè)函數(shù)調(diào)用所需要的維護(hù)信息曲横，通常稱為堆棧幀或活動(dòng)記錄。堆棧棧包括的內(nèi)容：

• 函數(shù)的返回地址和參數(shù)
• 臨時(shí)變量
• 保存的上下文不瓶，例如函數(shù)調(diào)用前后保持不變的寄存器禾嫉。

函數(shù)調(diào)用過程

• 把所有的參數(shù)壓入棧
• 把當(dāng)前指令的下一條指令的地址壓入棧中（函數(shù)的返回地址）
• 跳轉(zhuǎn)到函數(shù)體執(zhí)行
• 棧幀調(diào)整

具體包括：
1、保存當(dāng)前棧幀狀態(tài)值蚊丐，已備后面恢復(fù)本棧幀時(shí)使用(EBP入棧)熙参。
2、將當(dāng)前棧幀切換到新棧幀(將ESP值裝入EBP麦备，更新棧幀底部)孽椰。
3昭娩、給新棧幀分配空間(把ESP減去所需空間的大小，抬高棧頂)黍匾。

函數(shù)的返回

函數(shù)返回的步驟如下：

• 保存返回值栏渺，通常將函數(shù)的返回值保存在寄存器EAX中。
• 彈出當(dāng)前幀锐涯，恢復(fù)上一個(gè)棧幀磕诊。

具體包括：
1、在堆棧平衡的基礎(chǔ)上纹腌，給ESP加上棧幀的大小秀仲，降低棧頂，回收當(dāng)前棧幀的空間壶笼。
2、將當(dāng)前棧幀底部保存的前棧幀EBP值彈入EBP寄存器雁刷，恢復(fù)出上一個(gè)棧幀覆劈。
3、將函數(shù)返回地址彈給EIP寄存器沛励。

• 跳轉(zhuǎn)：按照函數(shù)返回地址跳回母函數(shù)中繼續(xù)執(zhí)行责语。

堆與內(nèi)存管理

什么是堆

堆內(nèi)存是區(qū)別于棧區(qū)、全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)的另一個(gè)內(nèi)存區(qū)域目派。堆允許程序在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)某個(gè)大小的內(nèi)存空間坤候。光有棧對(duì)于程序還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)闂Ｉ系臄?shù)據(jù)在函數(shù)返回的時(shí)候就會(huì)被釋放掉企蹭，所以無法將數(shù)據(jù)傳遞至函數(shù)外部白筹。而全局變量沒有辦法動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生，只能在編譯的時(shí)候定義谅摄。在這種情況下徒河，堆（Heap）是唯一的選擇。
堆是一塊巨大的內(nèi)存空間送漠，常常占據(jù)整個(gè)虛擬內(nèi)存的絕大部分空間顽照。在這片空間里，程序可以申請(qǐng)一塊連續(xù)的內(nèi)存闽寡，并自由地使用代兵，這塊內(nèi)存在程序主動(dòng)放棄之前都會(huì)一直保持有效。

內(nèi)存分配

程序中使用malloc爷狈、new等內(nèi)存分配函數(shù)獲取內(nèi)存即是從堆中分配內(nèi)存植影。從堆中分配的內(nèi)存需要程序員手動(dòng)釋放，如果不釋放淆院，而系統(tǒng)內(nèi)存管理器又不自動(dòng)回收這些堆內(nèi)存的話（實(shí)現(xiàn)這一項(xiàng)功能的系統(tǒng)很少）何乎，那就一直被占用句惯。如果一直申請(qǐng)堆內(nèi)存，而不釋放支救，內(nèi)存會(huì)越來越少抢野，很明顯的結(jié)果是系統(tǒng)變慢或者申請(qǐng)不到新的堆內(nèi)存。而過度的申請(qǐng)堆內(nèi)存各墨，會(huì)導(dǎo)致堆被壓爆指孤，結(jié)果是災(zāi)難性的。我們掌握堆內(nèi)存的權(quán)柄就是返回的指針贬堵，一旦丟掉了指針恃轩，便無法在我們視野內(nèi)釋放它。這便是內(nèi)存泄露黎做。

堆的分配算法

• 空閑鏈表
  空閑鏈表( Free List)的方法實(shí)際上就是把堆中各個(gè)空閑的塊按照鏈表的方式連接起來,當(dāng)用戶請(qǐng)求一塊空間時(shí),可以遍歷整個(gè)列表,直到找到合適大小的塊并且將它拆分;當(dāng)用戶釋放空間時(shí)將它合并到空閑鏈表中叉跛。
• 位圖
  針對(duì)空閑鏈表的弊端,另一種分配方式顯得更加穩(wěn)健。這種方式稱為位圖( Bitmap)蒸殿，其核心思想是將整個(gè)堆劃分為大量的塊( block),每個(gè)塊的大小相同筷厘。當(dāng)用戶請(qǐng)求內(nèi)存的時(shí)候,總是分配整數(shù)個(gè)塊的空間給用戶,第一個(gè)塊我們稱為已分配區(qū)域的頭(Head),其余的稱為己分配區(qū)域的主體(Body)。而我們可以使用一個(gè)整數(shù)數(shù)組來記錄塊的使用情況,由于每個(gè)塊只有頭/主體空閑三種狀態(tài),因此僅僅需要兩位即可表示一個(gè)塊,因此稱為位圖宏所。
• 對(duì)象池
  以上介紹的堆管理方法是最為基本的兩種,實(shí)際上在一些場合,被分配對(duì)象的大小是較為固定的幾個(gè)值,這時(shí)候我們可以針對(duì)這樣的特征設(shè)計(jì)一個(gè)更為高效的堆算法,稱為對(duì)象池酥艳。
  對(duì)象池的思路很簡單,如果每一次分配的空間大小都一樣,那么就可以按照這個(gè)每次請(qǐng)求分配的大小作為一個(gè)單位,把整個(gè)堆空間劃分為大量的小塊,每次請(qǐng)求的時(shí)候只需要找到個(gè)小塊就可以了。
  對(duì)象池的管理方法可以采用空閑鏈表,也可以采用位圖,與它們的區(qū)別僅僅在于它假定了每次請(qǐng)求的都是一個(gè)固定的大小,因此實(shí)現(xiàn)起來很容易爬骤。由于每次總是只請(qǐng)求一個(gè)單位的內(nèi)存,因此請(qǐng)求得到滿足的速度非吵涫快,無須查找一個(gè)足夠大的空間。