程序测试C程序内存空间布局

本短文通过实际的程序测试，来验证程序各段在运行时内存中的分布情况；

经过测试证明，自低地址向高地址依次为：

（1）文本段（存代码）

（2）数据段（存初始化的全局变量）

（3）bss段（存未初始化的全局变量）

（4）堆（动态分配内存）

（5）栈（函数内部局部变量）

另外，字符串常量存放在（1）和（2）之间，共享内存存放在（4）和（5）之间。

以下为验证代码——

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>


#define ARRAY_SIZE  40000
#define MALLOC_SIZE 100000
#define SHM_SIZE    100000
#define SHM_MODE    0600 // user read/write


char array[ARRAY_SIZE]; // uninitialized data = bss
char arrayInit[ARRAY_SIZE] = "xxxxxxxxxxx";
char *str = "yyyyyy";


int main( void )
{
int shmid;
char *ptr, *shmptr;
printf( "string const variable around %lx\n", ( unsigned long )str );
printf( "arrayInit[] from %lx to %lx\n", (unsigned long)&arrayInit[0],
(unsigned long)&arrayInit[ARRAY_SIZE] ); 
printf( "array[] from %lx to %lx\n", (unsigned long)&array[0],
(unsigned long)&array[ARRAY_SIZE] ); 
printf( "stack around %lx\n", (unsigned long)&shmid );

if( ( ptr = malloc( MALLOC_SIZE ) ) == NULL ){
perror( "malloc error" );
return 1;
}
printf( "malloced from %lx to %lx\n", ( unsigned long )ptr, 
( unsigned long )ptr + MALLOC_SIZE );

if( ( shmid = shmget( IPC_PRIVATE, SHM_SIZE, SHM_MODE ) ) < 0 ){
perror( "shmget error" );
return 1;
}
if( ( shmptr = shmat( shmid, 0, 0 ) ) == ( void * )-1 ){
perror( "shmat error" );
return 1;
}
printf( "shared memory attached from %lx to %lx\n", ( unsigned long )shmptr, 
( unsigned long )shmptr + SHM_SIZE );
if( shmctl( shmid, IPC_RMID, 0 ) < 0 ){
perror( "shmctl error" );
return 1;
}

exit( 0 );
}
#ifdef NOTE
qun@qun-vm:~/unix14_iomultiplex$ ./a.out 
string const variable around 8048790
arrayInit[] from 804a060 to 8053ca0
array[] from 8053ce0 to 805d920
stack around bfefa994
malloced from 80d0008 to 80e86a8
shared memory attached from b751c000 to b75346a0
#endif

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堆与栈的比较 

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， C++ 中是 new 运算符。

如 p1 =(char *)malloc(10); p1 = new char[10]; 

如 p2 =(char *)malloc(10); p2 = new char[20]; 

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。 

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。 

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，他不是在堆，也不是栈，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[] =\"a\"; 

char *s2 =\"b\"; 

a 是在运行时刻赋值的；而 b 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： 

int main(){

char a = 1;

char c[] =\"1234567890\"; 

char *p=\"1234567890\"; 

a = c[1]; 

a = p[1]; 

return 0; 

} 

对应的汇编代码 

10: a =c[1]; 

00401067 8A4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 

0040106A 884D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 

11: a =p[1]; 

0040106D 8B55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 

00401070 8A42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 

00401073 8845 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，再根据 edx 读取字符，显然慢了。 

7 小结 

堆和栈的主要区别由以下几点： 

1 、管理方式不同； 

2 、空间大小不同； 

3 、能否产生碎片不同； 

4 、生长方向不同； 

5 、分配方式不同； 

6 、分配效率不同； 

管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生 memory leak 。 

空间大小：一般来讲在 32 位系统下，堆内存可以达到 4G 的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在 VC6 下面，默认的栈空间大小是 1M 。当然，这个值可以修改。 

碎片问题：对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构。

生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

分配方式：堆都是动态分配的 ，没有静态分配的堆。栈有 2 种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由 malloca 函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现 。 

分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是 C/C++ 函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构 / 操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址， EBP 和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。 

虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。

无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果。

4.new/delete与 malloc/free 比较 

从 C++ 角度上说，使用 new 分配堆空间可以调用类的构造函数，而 malloc() 函数仅仅是一个函数调用，它不会调用构造函数，它所接受的参数是一个 unsigned long 类型。同样， delete 在释放堆空间之前会调用析构函数，而 free 函数则不会。 

class Time{

public: 

Time(int,int,int,string);

~Time(){ 

cout<<\"callTime\'s destructor by:\"<<name<<endl; 

} 

private: 

int hour; 

int min; 

int sec; 

stringname; 

}; 

Time::Time(inth,int m,int s,string n){ 

hour=h; 

min=m; 

sec=s; 

name=n; 

cout<<\"callTime\'s constructor by:\"<<name<<endl; 

} 

int main(){

Time *t1; 

t1=(Time*)malloc(sizeof(Time));

free(t1); 

Time *t2; 

t2=newTime(0,0,0,\"t2\"); 

delete t2; 

system(\"PAUSE\");

returnEXIT_SUCCESS; 

} 

结果： 

callTime\'s constructor by:t2 

callTime\'s destructor by:t2 

从结果可以看出，使用 new/delete 可以调用对象的构造函数与析构函数，并且示例中调用的是一个非默认构造函数。但在堆上分配对象数组时，只能调用默认构造函数，不能调用其他任何构造函数