C++C/C++内存分配机制（非原创）

Posted 2021-06-09 西科陈冠希

C语言在内存中一共分为如下几个区域，分别是：

1. 内存栈区： 存放局部变量名；
2. 内存堆区： 存放new或者malloc出来的对象；
3. 常数区： 存放局部变量或者全局变量的值；
4. 静态区： 用于存放全局变量或者静态变量；
5. 代码区：二进制代码。
   知道如上一些内存分配机制，有助于我们理解指针的概念。

C/C++不提供垃圾回收机制，因此需要对堆中的数据进行及时销毁，防止内存泄漏，使用free和delete销毁new和malloc申请的堆内存，而栈内存是动态释放。

全局变量、静态局部变量保存在全局数据区，初始化的和未初始化的分别保存在一起；

普通局部变量保存在堆栈中；

全局变量和局部变量在内存里的区别？

一、预备知识—程序的内存分配

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

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（RW）， 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（ZI）。 - 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 （RO）

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。 （RO）

注：

1、对于RO、RW和WI的概念不是特别清楚的朋友，可以参考我的另外一篇文章，里边有详细的解释。

2、按我个人理解为了减少内存碎片的产生，编译器可能会将堆区又分为block和heap区。block由一系列大小相等的内存块组成。分配内存时先在block中分配，如果block占满则从heap区中分配。同时block的大小和个数可以通过配置文件进行配置，使之达到一个合适的数量。

例：

/* =========================== /
/ HEAP CONF /
/ =========================== /
/ General configuration for both linear heap and block based heap

• define this list to the size and count of individual fixed-size pools
  /
  #define BLOCK_LIST
  / size count */
  BLOCK( 22, 80 )
  BLOCK( 44, 64 )
  BLOCK( 56, 16 )
  二、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”; //"abc"在常量区，s在栈上。

char *p2; //栈

char *p3 = “123456”; //123456\\0";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\\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。

}

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区（stack）— 程序运行时由编译器自动分配，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） — 在内存开辟另一块存储区域。

  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。

3、全局区（静态区）（static）—编译器编译时即分配内存。

   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。 

   - 程序结束后由系统释放

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—存放函数体的二进制代码。

注意：静态局部变量和静态全局变量

属于静态存储方式的量不一定就是静态变量。

例如：全局变量虽属于静态存储方式，但不一定是静态变量，

       必须由 static加以定义后才能成为静态外部变量，或称静态全局变量。

把局部变量改变为静态变量后是改变了它的存储方式，即改变了它的生存期。
把全局变量改变为静态变量后是改变了它的作用域，限制了它的使用范围。

楔子
一个可执行程序文件需要在计算机硬件上运行起来，其实质就是静态的文件被加载到内存中的过程，可执行程序文件只是一个程序的载体。那么执行一个应用后，它在内存中是一个怎样的结构呢，请关注今天的走进科学——《C/C++ 程序内存结构》。

动&静
一个程序被加载到内存中，这块内存首先就存在两种属性：静态分配内存和动态分配内存。
静态分配内存：是在程序编译和链接时就确定好的内存。
动态分配内存：是在程序加载、调入、执行的时候分配/回收的内存。

Text & Data & Bss
.text： 也称为代码段(Code)，用来存放程序执行代码，同时也可能会包含一些常量(如一些字符串常量等）。该段内存为静态分配，只读(某些架构可能允许修改)。
这块内存是共享的,当有多个相同进程(Process)存在时，共用同一个text段。

.data： 也有的地方叫GVAR(global value)，用来存放程序中已经初始化的非零全局变量。静态分配。

data又可分为读写（RW）区域和只读（RO）区域。
-> RO段保存常量所以也被称为.constdata
-> RW段则是普通非常全局变量，静态变量就在其中
.bss： 存放程序中为初始化的和零值全局变量。静态分配，在程序开始时通常会被清零。

text和data段都在可执行文件中，由系统从可执行文件中加载；而bss段不在可执行文件中，由系统初始化。
这三段内存就组成了我们编写的程序的本体，但是一个程序运行起来，还需要更多的数据和数据间的交互，否则这个程序就是死的，无用的。所以我们还需要为更多的数据和数据交互提供一块内存——堆栈。

堆栈（Heap& Stack）
堆和栈都是动态分配内存，两者空间大小都是可变的。

Stack： 栈，存放Automatic Variables，按内存地址由高到低方向生长，其最大大小由编译时确定，速度快，但自由性差，最大空间不大。

Heap： 堆，自由申请的空间，按内存地址由低到高方向生长，其大小由系统内存/虚拟内存上限决定，速度较慢，但自由性大，可用空间大。
每个线程都会有自己的栈，但是堆空间是共用的。

Tips：

char* p = new char[20];
// 这行代码在Heap中开辟了20个char长度的空间，同时在Stack上压入了p，
// 指针变量p存在于栈上，其值为刚刚在堆上开辟的空间的首地址。
1
2
3
图解
在 sw-at 的博客上扒了一张图，这张图中所示内存空间，地址由下往上增长，分别标示了 .text、.data、.bss、stack和heap的内存分部情况。
我们可以看到：

text、data(gvar)、bss 在内存中地址较低低的位置（low level address），而堆栈则在相对较搞的位置。
堆(Heap)往高地址方向生长，栈(Stack)往低地址方向生长。

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

栈

堆

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
是

否

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
是

是

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

是

是

内容是否可以修改

是

否

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：

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自由内存的情况下，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。

基本上程序员在开始接触Linux编程时就大抵就都听过代码段、数据段等等概念，它们是各种数据存放的位置。通过objdump -h命令可以查看一个.o文件(已编译成二进制文件但未链接)的各个段：

1. 代码段(.txt)
     .txt段存放代码(如函数)与部分整数常量，.txt段的数据可以被执行

2. 数据段(.data)
     .data用于存放初始化过的全局变量。若全局变量值为0，为了优化编译器会将它放在.bss段中

3. bss段(.bss)
     .bss段被用来存放那些没有初始化或者初始化为0的全局变量。bss段只占运行时的内存空间而不占文件空间。在程序运行的整个周期内，.bss段的数据一直存在

.data和.bss段的区别可以通过下面程序验证：

#include <stdio.h>

char global_arr[1024 * 1024]; //存放在.bss段
int main(void)
{
return 0;
}

编译后查看大小：

显然，global_arr数组占据的1M空间并没有占据文件空间。将global_arr数组改放在.data段中：

char global_arr[1024 * 1024] = {4}; //存放在.data段
  编译后查看大小：

文件变成了1M多，显然.data段上的数据是占据文件空间的。

4. 常量数据段(.rodata)
     ro表read only，用于存放不可变修改的常量数据，一旦程序中对其修改将会出现段错误：
     (1) 程序中的常量不一定就放在rodata中，有的立即数和指令编码放在.text中
     (2) 对于字符串常量，若程序中存在重复的字符串，编译器会保证只存在一个
     (3) rodata是在多个进程间共享的
     (4) 有的嵌入式系统，rodata放在ROM(或者NOR FLASH)中，运行时直接读取无需加载至RAM( 哈佛和冯诺依曼，从STM32的const全局变量说起有所记录)
   想要将数据放在.rodata只需要加上const属性修饰即可。

5. 栈
     栈是用于存放临时变量和函数调用的。栈也是一种先进后出的数据结构，函数的递归调用正得益于栈的存在。需注意存在栈的数据只在当前函数和子函数中有效，一旦函数返回数据将会被自动释放。

6. 堆
     堆的使用周期有使用者控制，程序中的内存泄漏多因程序员对堆的管理不当引起，需谨慎。

7. .comment段
     在上图中还看到.comment段，它存放的是编译器版本等信息。除了.comment，还有.note、.hash等其他段，了解即可。
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