Posted on 2013-09-27 09:13
hoshelly 閱讀(322)
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C
摘抄自：http://www.cnblogs.com/vamei
當程序文件運行為進程的時候，進程在內存中得到空間(進程自己的小房間)。每個進程空間按照如下方式分為不同區域:
內存空間
Text區域用來儲存指令(instruction)，來告訴程序每一步的操作。Global Data用于存放全局變量，stack用于存放局部變量，heap用于存放動態變量 (dynamic variable. 程序利用malloc系統調用，直接從內存中為dynamic variable開辟空間)。Text和Global data在進程一開始的時候就確定了，并在整個進程中保持固定大小。
Stack(棧)以stack frame為單位。當程序調用函數的時候，比如main()函數中調用inner()函數，stack會向下增長一個stack frame。Stack frame中存儲該函數的參數和局部變量，以及該函數的返回地址(return address)。此時，計算機將控制權從main()轉移到inner()，inner()函數處于激活(active)狀態。位于Stack最下方的frame和Global Data就構成了當前的環境(context)。激活函數可以從中調用需要的變量。典型的編程語言都只允許你使用位于stack最下方的frame ，而不允許你調用其它的frame (這也符合stack結構“先進后出”的特征。但也有一些語言允許你調用stack的其它部分，相當于允許你在運行inner()函數的時候調用main()中聲明的局部變量，比如Pascal)。當函數又進一步調用另一個函數的時候，一個新的frame會繼續增加到stack下方，控制權轉移到新的函數中。當激活函數返回的時候，會從stack中彈出(pop，就是讀取并刪除)該frame，并根據frame中記錄的返回地址，將控制權交給返回地址所指向的指令(比如從inner()函數中返回，繼續執行main()中賦值給main2的操作)。
下圖是stack在運行過程中的變化，箭頭表示stack增長的方向，每個方塊代表一個stack frame。開始的時候我們有一個為main()服務的frame，隨著調用inner()，我們為inner()增加一個frame。在inner()返回時，我們再次只有main()的frame，直到最后main()返回，其返回地址為空，所以進程結束。
stack變化
在進程運行的過程中，通過調用和返回函數，控制權不斷在函數間轉移。進程可以在調用函數的時候，原函數的stack frame中保存有在我們離開時的狀態，并為新的函數開辟所需的stack frame空間。在調用函數返回時，該函數的stack frame所占據的空間隨著stack frame的彈出而清空。進程再次回到原函數的stack frame中保存的狀態，并根據返回地址所指向的指令繼續執行。上面過程不斷繼續，stack不斷增長或減小，直到main()返回的時候，stack完全清空，進程結束。
當程序中使用malloc的時候，heap(堆)會向上增長，其增長的部分就成為malloc從內存中分配的空間。malloc開辟的空間會一直存在，直到我們用free系統調用來釋放，或者進程結束。一個經典的錯誤是內存泄漏(memory leakage), 就是指我們沒有釋放不再使用的heap空間，導致heap不斷增長，而內存可用空間不斷減少。
由于stack和heap的大小則會隨著進程的運行增大或者變小，當stack和heap增長到兩者相遇時候，也就是內存空間圖中的藍色區域(unused area)完全消失的時候，進程會出現棧溢出(stack overflow)的錯誤，導致進程終止。在現代計算機中，內核一般都會為進程分配足夠多的藍色區域，如果我們即時清理的話，stack overflow是可以避免的。但是，在進行一些矩陣運算的時候，由于所需的內存很大，依然可能出現stack overflow的情況。一種解決方式是增大內核分配給每個進程的內存空間。如果依然不能解決問題的話，我們就需要增加物理內存。
堆和棧的區別：
2.1申請方式 stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為b開辟空 間 heap: 需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數 如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運算符 如p2 = new char[10]; 但是注意p1、p2本身是在棧中的。 2.2 申請后系統的響應 棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢 出。 堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時， 會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表 中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，會在這塊內存空間中的 首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。 另外，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部 分重新放入空閑鏈表中。 2.3申請大小的限制 棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意 思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M（也有 的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將 提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲 的空閑內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小 受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。 2.4申請效率的比較： 棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。 堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便. 另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是 直接在進程的地址空間中保留一塊內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。 2.5堆和棧中的存儲內容 棧： 在函數調用時，第一個進棧的是主函數中后的下一條指令（函數調用語句的下一條可 執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧 的，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。 當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后棧頂指針指向最開始存的地 址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。 堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容由程序員安排。 2.6存取效率的比較 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的； 但是，在以后的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
2.7小結： 堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出： 使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就 走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自 由度小。 使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由 度大。 (經典！)