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C 内存空间

1. 基本概念​

内存是计算机系统中一个主要部件， 用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储器。在计算机中，内存空间一般是指主存储器空间（物理地址空间）或系统为一个用户程序分配内存空间。

而 Linux 操作系统会对实际存在的物理内存进行映射，对应用程序屏蔽了物理内存的具体细节，有利于简化程序的编写和系统统一的管理。

  • PM（Physical Memory）：物理内存，实实在在的虚拟设备。
  • VM（Virtual Memory）：虚拟内存，操作系统映射虚拟出来的内存。

2. 进程内存布局​

  • 每个C语言进程都拥有一片结构相同的虚拟内存

例如三个完全不相干的进程p1、p2、p3，它们很显然会占据不同区段的物理内存，但经过系统的变换和映射，它们的虚拟内存的布局是完全一样的。

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  • 将其中一个C语言含进程的虚拟内存放大看，会发现其内部包含了：栈、堆、数据段、代码段。

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虚拟内存中，虚拟内存中，内核区段对于应用程序而言是禁闭的，它们用于存放操作系统的关键性代码，另外由于 Linux 系统的历史性原因，在虚拟内存的最底端0x0 ~ 0x08048000 之间也有一段禁闭的区段，该区段也是不可访问的。

  • 虚拟内存中各个区段的详细内容。

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3. 栈内存​

栈内存指的是从 0xC000 0000 往下增长的这部分内存区域，进程在使用栈内存时是严格按照 “先进后出” 的原则来操作的。

栈的全称是“运行时栈（run-timestack）”，顾名思义栈会随着进程的运行而不断发生变化：一旦有新的函数被调用，就会立即在栈顶分配一帧内存，专门用于存放该函数内定义的局部变量（包括所有的形参），当一个函数执行完毕返回之后，他所占用的那帧内存将被立即释放，在上图中用一根虚线和箭头来表示栈的这种动态特征。

  • 什么东西存储在栈内存中？

    • 环境变量
    • 命令行参数
    • 局部变量（包括形参）

  • 栈内存有什么特点？

    • 空间有限，尤其在嵌入式环境下。因此不可以用来存储尺寸太大的变量。
    • 每当一个函数被调用，栈就会向下增长一段，用以存储该函数的局部变量。
    • 每当一个函数退出，栈就会向上缩减一段，将该函数的局部变量所占内存归还给系统。

注意：栈内存的分配和释放，都是由系统规定的，我们无法干预。

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4. 堆内存​

4.1 堆内存基本概念​

堆内寸是一块自由内存，又被称为动态内存，原因是在这个区域定义和释放变量完全由你来决定，即所谓的自由区。堆跟栈的最大区别在于堆是不设大小限制的，最大值取决于系统的物理内存。

堆的全称是“运行时堆（run-timeheap）”，跟栈一样，会随着进程的运行而不断地增大或缩小。它是一个自由区，此区域定义的内存的生命周期我们是可以控制的，开发者可以根据需要申请内存的大小，决定使用的时间长短等。

堆内存的生命周期是：从malloc()/calloc()/realloc()开始，到free()结束，其分配和释放完全由我们开发者自定义，这就给了我们最大的自由和灵活性，让程序在运行的过程当中，以最大的效益使用内存。

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4.2 内存操作函数​

C 语言为内存的分配和管理提供了几个函数。这些函数可以在头文件 #include < stdlib.h > 中找到。

  • malloc( )

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  • calloc( )

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  • realloc( )

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  • free( )

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  • memset( )

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注意：

  • calloc 函数在申请完内存后，自动初始化该内存空间为零。
  • malloc 函数不进行初始化操作，里边数据是随机的。
  • memset 函数按照字符数组的方式操作内存对象，其主要目的是提供一个高效的函数接口，通常用于初始化 malloc 函数申请的内存对象。

realloc 注意：

  • 如果用realloc新分配的内存空间比原来的大，则旧内存块的数据不会发生改变；如果新的内存空间大小小于旧的内存空间，可能会导致数据丢失，慎用！
  • 该函数将移动内存空间的数据并返回新的指针。
  • 如果 ptr 参数为 NULL，那么调用该函数就相当于调用 malloc(size)。
  • 如果 size 参数为 0，并且 ptr 参数不为 NULL，那么调用该函数就相当于调用 free(ptr)。
  • 除非 ptr 参数为 NULL，否则 ptr 的值必须由先前调用 malloc、calloc 或 realloc 函数返回。

5. 数据段​

数据段实际上分为三部分，地址从高到底分别是.bss段、.data段和.rodata段三个数据段各司其职：

  • .bss专门用来存放未初始化的静态数据，它们都将被初始化为0。
  • .data段专门存放已经初始化的静态数据，这么初始值从程序文件中拷贝而来。
  • .rodata段用来存放只读数据，即常量，比如进程中所有的字符串、字符常量、整型浮点型常量等。

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6. 代码段​

代码段实际上也至少分为两部分：.text段和.init段。

  • .text段用来存放用户程序代码，也就是包括main函数在内的所有用户自定义函数。
  • .init段则用来存储系统给每一个可执行程序自动添加的“初始化”代码，这部分代码功能包括环境变量的准备、命令行参数的组织和传递等，并且这部分数据被放置在了栈底。

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