Posted on 2013-09-27 09:13
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C
摘抄自：http://www.cnblogs.com/vamei
當(dāng)程序文件運(yùn)行為進(jìn)程的時(shí)候，進(jìn)程在內(nèi)存中得到空間(進(jìn)程自己的小房間)。每個(gè)進(jìn)程空間按照如下方式分為不同區(qū)域:
內(nèi)存空間
Text區(qū)域用來儲(chǔ)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(dòng)態(tài)變量 (dynamic variable. 程序利用malloc系統(tǒng)調(diào)用，直接從內(nèi)存中為dynamic variable開辟空間)。Text和Global data在進(jìn)程一開始的時(shí)候就確定了，并在整個(gè)進(jìn)程中保持固定大小。
Stack(棧)以stack frame為單位。當(dāng)程序調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，比如main()函數(shù)中調(diào)用inner()函數(shù)，stack會(huì)向下增長(zhǎng)一個(gè)stack frame。Stack frame中存儲(chǔ)該函數(shù)的參數(shù)和局部變量，以及該函數(shù)的返回地址(return address)。此時(shí)，計(jì)算機(jī)將控制權(quán)從main()轉(zhuǎn)移到inner()，inner()函數(shù)處于激活(active)狀態(tài)。位于Stack最下方的frame和Global Data就構(gòu)成了當(dāng)前的環(huán)境(context)。激活函數(shù)可以從中調(diào)用需要的變量。典型的編程語(yǔ)言都只允許你使用位于stack最下方的frame ，而不允許你調(diào)用其它的frame (這也符合stack結(jié)構(gòu)“先進(jìn)后出”的特征。但也有一些語(yǔ)言允許你調(diào)用stack的其它部分，相當(dāng)于允許你在運(yùn)行inner()函數(shù)的時(shí)候調(diào)用main()中聲明的局部變量，比如Pascal)。當(dāng)函數(shù)又進(jìn)一步調(diào)用另一個(gè)函數(shù)的時(shí)候，一個(gè)新的frame會(huì)繼續(xù)增加到stack下方，控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新的函數(shù)中。當(dāng)激活函數(shù)返回的時(shí)候，會(huì)從stack中彈出(pop，就是讀取并刪除)該frame，并根據(jù)frame中記錄的返回地址，將控制權(quán)交給返回地址所指向的指令(比如從inner()函數(shù)中返回，繼續(xù)執(zhí)行main()中賦值給main2的操作)。
下圖是stack在運(yùn)行過程中的變化，箭頭表示stack增長(zhǎng)的方向，每個(gè)方塊代表一個(gè)stack frame。開始的時(shí)候我們有一個(gè)為main()服務(wù)的frame，隨著調(diào)用inner()，我們?yōu)閕nner()增加一個(gè)frame。在inner()返回時(shí)，我們?cè)俅沃挥衜ain()的frame，直到最后main()返回，其返回地址為空，所以進(jìn)程結(jié)束。
stack變化
在進(jìn)程運(yùn)行的過程中，通過調(diào)用和返回函數(shù)，控制權(quán)不斷在函數(shù)間轉(zhuǎn)移。進(jìn)程可以在調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，原函數(shù)的stack frame中保存有在我們離開時(shí)的狀態(tài)，并為新的函數(shù)開辟所需的stack frame空間。在調(diào)用函數(shù)返回時(shí)，該函數(shù)的stack frame所占據(jù)的空間隨著stack frame的彈出而清空。進(jìn)程再次回到原函數(shù)的stack frame中保存的狀態(tài)，并根據(jù)返回地址所指向的指令繼續(xù)執(zhí)行。上面過程不斷繼續(xù)，stack不斷增長(zhǎng)或減小，直到main()返回的時(shí)候，stack完全清空，進(jìn)程結(jié)束。
當(dāng)程序中使用malloc的時(shí)候，heap(堆)會(huì)向上增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)的部分就成為malloc從內(nèi)存中分配的空間。malloc開辟的空間會(huì)一直存在，直到我們用free系統(tǒng)調(diào)用來釋放，或者進(jìn)程結(jié)束。一個(gè)經(jīng)典的錯(cuò)誤是內(nèi)存泄漏(memory leakage), 就是指我們沒有釋放不再使用的heap空間，導(dǎo)致heap不斷增長(zhǎng)，而內(nèi)存可用空間不斷減少。
由于stack和heap的大小則會(huì)隨著進(jìn)程的運(yùn)行增大或者變小，當(dāng)stack和heap增長(zhǎng)到兩者相遇時(shí)候，也就是內(nèi)存空間圖中的藍(lán)色區(qū)域(unused area)完全消失的時(shí)候，進(jìn)程會(huì)出現(xiàn)棧溢出(stack overflow)的錯(cuò)誤，導(dǎo)致進(jìn)程終止。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，內(nèi)核一般都會(huì)為進(jìn)程分配足夠多的藍(lán)色區(qū)域，如果我們即時(shí)清理的話，stack overflow是可以避免的。但是，在進(jìn)行一些矩陣運(yùn)算的時(shí)候，由于所需的內(nèi)存很大，依然可能出現(xiàn)stack overflow的情況。一種解決方式是增大內(nèi)核分配給每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)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(nèi)存。
堆和棧的區(qū)別：
2.1申請(qǐng)方式 stack: 由系統(tǒng)自動(dòng)分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量 int b; 系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b開辟空 間 heap: 需要程序員自己申請(qǐng)，并指明大小，在c中malloc函數(shù) 如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運(yùn)算符 如p2 = new char[10]; 但是注意p1、p2本身是在棧中的。 2.2 申請(qǐng)后系統(tǒng)的響應(yīng) 棧：只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢 出。 堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)， 會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表 中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi)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(yǔ)句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。 另外，由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部 分重新放入空閑鏈表中。 2.3申請(qǐng)大小的限制 棧：在Windows下,棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意 思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M（也有 的說是1M，總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請(qǐng)的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將 提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲(chǔ) 的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。 2.4申請(qǐng)效率的比較： 棧由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無法控制的。 堆是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)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(nèi)存，他不是在堆，也不是在棧是 直接在進(jìn)程的地址空間中保留一塊內(nèi)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(chǔ)內(nèi)容 棧： 在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句的下一條可 執(zhí)行語(yǔ)句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧 的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。 當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地 址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。 堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)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(yùn)行時(shí)刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)就確定的； 但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?例如堆)快。
2.7小結(jié)： 堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出： 使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜（發(fā)出申請(qǐng)）、付錢、和吃（使用），吃飽了就 走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)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(dòng)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(jīng)典！)