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       内存布局
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考试要求:掌握      相关知识点:2个      
        一个C程序在不同的系统中运行时,虽然对其代码和数据所占用的内存空间会有不同的布局和安排,但是一般都包括正文段(包含代码和只读数据)、数据区、堆和栈等。例如,在Linux系统中进程的内存布局示意图如下图所示。
        
        程序的内存映像示意图
        (1)正文段中主要包括由CPU执行的机器指令,该存储区是只读区域,以防止程序由于意外事件而修改,该段也是可共享的,因此经常执行的程序在存储器中只需要有一个副本。
        (2)数据区(段)分为初始化部分和未初始化部分,在程序中已初始化的全局变量和静态局部变量的存储单元在该区域。还有程序中未初始化的全局数据所占存储区域,常称为BSS段(来源于早期汇编程序的一个操作,即Block Started by Symbol),在程序开始执行之前,内核将此段初始化为0。
        (3)栈是局部变量以及每次函数调用时所需保存的信息的存储区域,其空间的分配和释放由操作系统进行管理。每次函数调用时,其返回地址以及调用者的环境信息(例如某些寄存器)都存放在栈中。然后,在栈中为新被调用的函数的自动和临时变量分配存储空间。栈空间向低地址方向增长。
        (4)堆是一块动态存储区域,由程序员堆分配和释放,若程序员不释放,则程序结束时由操作系统回收。堆空间地址的增长方向是从低地址向高地址。在C程序中,通过调用标准库函数malloc/calloc/realloc等向系统动态地申请堆存储空间来存储相应规模的数据,之后用free函数释放所申请到的存储空间。
        当程序使用这些函数去获得新的内存空间时,系统首先在堆上进行内存空间的分配,操作系统一般需要维护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,寻找适用于所申请空间大小的堆结点,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用户程序。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free操作才能正确地释放本段内存空间。由于找到的堆结点大小不一定正好等于申请空间的大小,因此涉及到复杂的分配机制,需要进行系统调用,可能产生内存碎片以及用户态与核心态的转换等一系列问题。
        对于内存受限的系统,应尽量避免使用动态内存分配,多采用静态内存分配,从而在程序编译时就能确定其运行时所需要的存储空间。
 
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