内存

1. 内核空间和用户空间

在32位的系统下，内存拥有4G(2^32)的寻址能力。大多数操作系统会将4G空间中的一部分给内核使用，应用程序无法直接访问，这块内存称为内核内存空间。

• Windows系统会将高地址的2G空间分给内核(可配置为1G)
• Linux默认是将高地址1G空间分给内核

剩余空间按称为用户内存空间。

2. 内存区域

• 栈：通常在用户内存空间的最高地址处分配，一般数M大小。
• 堆：通常在栈的低地址方向，也可能内存位置不固定，一般比栈大很多。
• 可执行文件映像：由装载器在装载时将可执行文件内存读取到此部分位置。
• 保留区：内存中收到保护而禁止访问的内存区域的总称，例如大多数操作系统中极小的地址是不允许访问的，如指针指向nullptr(NULL)。所以在清理完之后将指针指向nullptr。这里多说一下，在清理指针或者初始化指针的时候尽量使用nullptr/nullptr_t，而不是NULL。
• 动态链接库映射区：用于装载动态链接库，linux中如果可执行文件依赖其它共享库，那么系统会为此文件从0x40000000的地址分配相应空间，载入动态库。
• 代码段：存储程序执行代码的空间，其大小在程序运行前已经确定，并且通常是只读的状态。某些架构中也允许代码段可写，可修改程序。也有可能存放一些制度的常量。
• 数据段：存储程序中已经初始化的全局变量的空间。
• 未初始化数据段(BSS段)：存储程序中未初始化或者初始化未0的全局变量和静态变量的空间。
  栈从高到低增长，堆从低到高增长

3. 实现方式

操作系统是通过内存管理器实现内存的申请和划分的，并且负责将虚拟内存地址和物理内存地址映射起来。映射方式是内部的结构体存储指向空间地址。

4. malloc的实现

将内存的处理交给内核去做无疑是可行的，但是系统中存在着无数程序的无数申请和释放内存操作，内核调用的性能消耗是很大的，进而影响应用程序性能。
比较好的做法是程序向操作系统申请空间，由程序自己的运行库去管理，当此处空间被使用完，再根据需要向操作系统申请。

5. Linux的堆管理

Linux下堆分配方式有两种系统调用，bk()和mmap()，分配的都是虚拟内存空间。标准C语言库中的malloc/free进行申请和释放内存，底层都是由brk/mmap/munmap实现的。

• brk()：设置进程数据段的结束地址，可以扩大或者缩小数据段(linux系统中的数据段和BSS段统称数据段)。如果将数据段的结束地址向高地址位移动，那么扩大的部分就可以供程序使用，然后将这部分作为堆使用。
• mmap()：向操作系统申请一块虚拟内存空间，此空间位于文件映射区，就是堆和栈中间。linux中的glibc的malloc是小于128k的空间在现有堆中分配出来，大于128k的空间调用mmap函数分配一块匿名空间，在匿名空间中分配空间。

6. 最大malloc(linux)

最大申请空间受到诸多因素干扰，比如系统限制或者物理内存和交换空间总和等。mmap申请匿名空间时系统会为它在内存或交换空间中预留下地址，但是不能超过空闲内存和空闲交换空间的总和。

7. 堆分配算法

• malloc
  将堆中各个空闲块根据链表链接。申请空间时遍历查找合适大小，拆分出来；释放空间时则合并进链表中。最后链表存在很多细碎空间，在申请一块大内存时候malloc会请求延时，以便整理细碎空间，合并成一块大内存。
• 位图
  将堆划分为大量相等的块。申请空间时，分配整倍数的块大小，第一个块称为head，其余称为body，我们可以使用一个整数数组记录块的使用情况。每个块均只有头、主体和空闲三种状态，那么只需要两位就可以表示出来所有块的状态，所以称为位图。
• 对象池
  将堆空间划分为大小相等的块(与位图类似)，它认为某种情况下每次分配的空间都相等，所以每次返回一个块的大小，可以变化为链表或者位图。因为不用每次查找合适的大小内存，所以效率很高。

实际上，堆的分配算法是多种算法复合而成的，并不是单一的算法。