程序编译后运行时的内存分配

Posted 2020-09-26 paulversion

太好的文章了，看到不得不转，转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5420e0000101a0w1.html

一、编译时与运行时的内存情况

1.编译时不分配内存
编译时是不分配内存的。此时只是根据声明时的类型进行占位，到以后程序执行时分配内存才会正确。所以声明是给编译器看的，聪明的编译器能根据声明帮你识别错误。
2.运行时必分配内存
运行时程序是必须调到“内存”的。因为CPU（其中有多个寄存器）只与内存打交道的。程序在进入实际内存之前要首先分配物理内存。
3.编译过程
只能简单说一下，因为如果要详细的话，就是一本书了《编译原理》。编译器能够识别语法，数据类型等等。然后逐行逐句检查编译成二进制数据的obj文件，然后再由链接程序将其链接成一个EXE文件。此时的程序是以EXE文件的形式存放在磁盘上。
4.运行过程
当执行这个EXE文件以后，此程序就被加载到内存中，成为进程。此时一开始程序会初始化一些全局对象，然后找到入口函数（main()或者WinMain()），就开始按程序的执行语句开始执行。此时需要的内存只能在程序的堆上进行动态增加/释放了。

 

二、程序运行时的内存结构：

第一种图示：

另外一种图示：

各区段功能说明： 

1、程序代码区:存放函数体的二进制代码。

2、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， 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。
3、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。
4、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。

5、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。

堆指：（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；

 

栈指：满足先进后出的性质的数学或数据结构。
例如：

#include

#include

int overflow(char *buf)

{

char output[20];

strcpy(output,buf);

printf("out char output[20]/n",output);

getchar();

return 0;

}

int main()

{

char buf[100];

int j;

for(j=0;j<100;j++)

{

buf[j]=‘A‘;

}

overflow(buf);

return 0;

}

例：

ESP，EBP，EIP都是系统的寄存器，里面存的都是些地址。

 为什么要说这三个指针，是因为我们系统中栈的实现上离不开他们三个。

 栈的数据结构，主要有以下特点： 后进先出。 它还有以下两个作用：1.栈是用来存储临时变量，函数传递的中间结果。2.操作系统维护的，对于程序员是透明的。

 通过一个小例子说说栈的原理：先写个小程序：void fun(void){   printf("hello world")；}void main(void){  fun()  printf("函数调用结束");}这是一个简单的函数调用的例子。当程序进行函数调用的时候，我们经常说的是先将函数压栈，当函数调用结束后，再出栈。这一切的工作都是系统帮我们自动完成的。但在完成的过程中，系统会用到下面三种寄存器：1.ESP2.EBP3.EIP

当调用fun函数开始时，三者的作用。

1.EIP寄存器里存储的是CPU下次要执行的指令的地址。 也就是调用完fun函数后，让CPU知道应该执行main函数中的printf（"函数调用结束"）语句了。

2.EBP寄存器里存储的是是栈的栈底指针，通常叫栈基址，这个是一开始进行fun()函数调用之前，由ESP传递给EBP的。（在函数调用前你可以这么理解：ESP存储的是栈顶地址，也是栈底地址。）

3.ESP寄存器里存储的是在调用函数fun()之后，栈的栈顶，并且始终指向栈顶。 

当调用fun函数结束后，三者的作用：

1.系统根据EIP寄存器里存储的地址，CPU就能够知道函数调用完，下一步应该做什么，也就是应该执行main函数中的printf（“函数调用结束”）。

2.EBP寄存器存储的是栈底地址，而这个地址是由ESP在函数调用前传递给EBP的。等到调用结束，EBP会把其地址再次传回给ESP。所以ESP又一次指向了函数调用结束后，栈顶的地址。

其实我们对这个只需要知道三个指针是什么就可以，对我们学习栈溢出的问题以及看栈这方面的书籍有些帮助。 PS:<转>例子://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""; //栈
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。
编辑本段堆和栈的理论知识
1.申请方式 stack:
由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间
heap:
需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符
如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在栈中的。
2.申请后系统的响应
栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
3.申请大小的限制
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
4.申请效率的比较
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，它不是在堆，也不是在栈,而是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。
5.堆和栈中的存储内容
栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。
6.存取效率的比较 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。
比如：
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}
对应的汇编代码
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。