程式記憶體分割槽中的棧與堆

2021-10-24 15:36:21 字數 2196 閱讀 5569

由編譯器自動釋放,存放函式的引數值、區域性變數等。每當乙個函式被呼叫時,該函式的返回型別和一些呼叫的資訊被存放到棧中。然後這個被呼叫的函式再為他的自動變數和臨時變數在棧上分配空間。棧區是從高位址位向低位址位增長的,是一塊連續的記憶體區域。

int

main()

其中函式中定義的區域性變數按照先後定義的順序依次壓入棧中,也就是說相鄰變數的位址之間不會存在其它變數。棧的記憶體位址生長方向與堆相反,由高到底,所以後定義的變數位址低於先定義的變數,比如上面**中變數 s 的位址小於變數 b 的位址,p2 位址小於 s 的位址。棧中儲存的資料的生命週期隨著函式的執行完成而結束。

用於動態分配記憶體,位於bss和棧中間的位址區域。由程式設計師申請分配和釋放,若開發人員不釋放,程式結束時由作業系統**。堆是從低位址位向高位址位增長,採用鏈式儲存結構。

int

main()

其中 p1 所指的 10 位元組的記憶體空間與 p2 所指的 10 位元組記憶體空間都是存在於堆。堆的記憶體位址生長方向與棧相反,由低到高,但需要注意的是,後申請的記憶體空間並不一定在先申請的記憶體空間的後面,即 p2 指向的位址並不一定大於 p1 所指向的記憶體位址,原因是先申請的記憶體空間一旦被釋放,後申請的記憶體空間則會利用先前被釋放的記憶體,從而導致先後分配的記憶體空間在位址上不存在先後關係。堆中儲存的資料若未釋放,則其生命週期等同於程式的生命週期。

堆上記憶體空間的分配過程

作業系統有乙個記錄空閒記憶體位址的鍊錶,當系統收到程式的申請時,會遍歷該鍊錶,尋找第乙個空間大於所申請空間的堆節點,然後將該節點從空閒節點鍊錶中刪除,並將該節點的空間分配給程式。另外,對於大多數系統,會在這塊記憶體空間中的首位址處記錄本次分配的大小,這樣,**中的delete語句才能正確地釋放本記憶體空間。由於找到的堆節點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動地將多餘的那部分重新放入空閒鍊錶。

堆與棧實際上是作業系統對程序占用的記憶體空間的兩種管理方式,主要有如下幾種區別:

管理方式不同。棧由作業系統自動分配釋放,無需我們手動控制;堆的申請和釋放工作由程式設計師控制,容易產生記憶體洩漏;

空間大小不同。每個程序擁有的棧的大小要遠遠小於堆的大小。理論上,程式設計師可申請的堆大小為虛擬記憶體的大小,程序棧的大小 64bits 的windows 預設 1mb,64bits 的 linux 預設 10mb;

生長方向不同。堆的生長方向向上,記憶體位址由低到高;棧的生長方向向下,記憶體位址由高到低。

分配方式不同。堆都是動態分配的,沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式:靜態分配和動態分配。靜態分配是由作業系統完成的,比如區域性變數的分配。動態分配由alloca函式進行分配,但是棧的動態分配和堆是不同的,他的動態分配是由作業系統進行釋放,無需我們手工實現。

分配效率不同。棧由作業系統自動分配,會在硬體層級對棧提供支援:分配專門的暫存器存放棧的位址,壓棧出棧都有專門的指令執行,這就決定了棧的效率比較高。堆則是由c/c++提供的庫函式或運算子來完成申請與管理,實現機制較為複雜,頻繁的記憶體申請容易產生記憶體碎片。顯然,堆的效率比棧要低得多。

存放內容不同。棧存放的內容,函式返回位址、相關引數、區域性變數和暫存器內容等。當主函式呼叫另外乙個函式的時候,要對當前函式執行斷點進行儲存,需要使用棧來實現,首先入棧的是主函式下一條語句的位址,即擴充套件指標暫存器的內容(eip),然後是當前棧幀的底部位址,即擴充套件基址指標暫存器內容(ebp),再然後是被調函式的實參等,一般情況下是按照從右向左的順序入棧,之後是被調函式的區域性變數,注意靜態變數是存放在資料段或者bss段,是不入棧的。出棧的順序正好相反,最終棧頂指向主函式下一條語句的位址,主程式又從該位址開始執行。堆,一般情況堆頂使用乙個位元組的空間來存放堆的大小,而堆中具體存放內容是由程式設計師來填充的。

從以上可以看到,堆和棧相比,由於大量malloc()/free()或new/delete的使用,容易造成大量的記憶體碎片,並且可能引發使用者態和核心態的切換,效率較低。棧相比於堆,在程式中應用較為廣泛,最常見的是函式的呼叫過程由棧來實現,函式返回位址、ebp、實參和區域性變數都採用棧的方式存放。雖然棧有眾多的好處,但是由於和堆相比不是那麼靈活,有時候分配大量的記憶體空間,主要還是用堆。

無論是堆還是棧,在記憶體使用時都要防止非法越界,越界導致的非法記憶體訪問可能會摧毀程式的堆、棧資料,輕則導致程式執行處於不確定狀態,獲取不到預期結果,重則導致程式異常崩潰。

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