前面几篇文章都是关于静态库，动态库相关的介绍。平时开发中接触并不是很多。从这篇开始进入和工作中关系比较大的部分，库和运行库。第一篇就从内存开始介绍。

本文导图

内存布局

现代应用程序都运行在一个内存空间里面，在32系统里面这个内存空间拥有4GB的寻址能力。16位时代是用段地址加偏移地址的寻址模式用尽不用了。如今的应用程序直接使用32位的地址进行寻址。这种方式叫做平坦的内存模型。整个内存是一个统一的地址空间，用户可以使用一个32位指针访问任何一个内存位置。

int *p=(int *)0x12345678;
++*p;

如上可以直接读写指定内存的数据。但是真真的情况下并不是这么平坦的。因为大多数操作系统会把内存空间的一部分给内核使用，应用程序时无法访问的，对应的内存空间也就叫做内核空间。相对内核空间，应用程序能够访问到的就是永恒空间。一般而言，在用户空间，很多区域有特殊含义。一个应用程序有如下默认的区域：

• 栈：用于维护函数调用的上下文，通常是在用户空间高地址除分配，有数兆字节大小
• 堆：堆用来容纳应用程序动态分配的内存区域。比如使用malloc、new分配内存的时候。堆通常位于栈的下方（低地址方向），并且堆一般没有统一的区域，而且范围也比栈大很多。
• 可执行文件映像：存储可执行文件在内存中的映像。之前介绍过，由装载器在装载的时候将可执行文件的内存读取或映射到这里。
• 保留区：不是一个单一的内存区域，而是对内存中受保护而禁止访问内存区域的总称。比如大多数操作系统绩效的地址通常不允许访问比如NULL,因为0地址正常情况不可能有有效的可访问数据。

如下图是Linux一个进程的内存布局：

注意还有一个动态链接库映射区，这个区域用于映射装载的动态链接库，比如在Linux下，如果有其他共享库链接，那么系统就会从0x4000 0000开始地址分配。

栈

栈最大的特点就是先进后出。在数据结构中，栈被定义为一个特殊的容器，可以压栈和出栈。在计算机系统中，栈则是一个具有数据结构中栈的属性的一个动态内存区域。

栈总是向下增长的，栈顶由称为esp（有些也叫sp）寄存器定位。

栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，被称作为堆栈帧或者活动记录，堆栈帧一般有如下内容：

• 函数的返回地址和参数
• 临时变量，包括函数的非晶体局部变量及编译器自动生成的其他临时变量
• 保存的上下文，包括在函数调用前后保持不变的寄存器

在i386中，栈帧用ebp和esp这链两个寄存器划定范围。esp指向栈顶，ebp指向栈帧的一个固定位置，ebp又叫做帧指针。

比如：

在参数之后的数据就是函数的活动记录，ebp固定在其中一个位置，ebp不会随着函数的执行变化而变化，esp指向栈顶，会随着函数的执行变化而变化。ebp用来定位函数活动记录的各个数据。

ebp之前就是函数返回地址（ebp-4），再往前就是压入栈的参数 ，地址分配是ebp-8、ebp-12，根据参数大小不同而定。

ebp指向的数据是调用函数前的ebp的值，这样函数返回的时候ebp可以通过这个值恢复到调用前的值。

i386函数调用过程：

• 把所有或者一部分参数压入栈中，如果有些参数没有入栈则使用特定的寄存器保存。——参数
• 把当前指令的下一条指令地址压入栈中。——返回地址
• 跳转到函数体执行——上一步和这一步由指令call一起执行
• push ebp；将ebp压入栈中——old ebp
• mov ebp,esp ebp =esp——这个时候ebp指向栈顶，恰好这个时候栈顶就是old ebp
• sub esp,xxx——在栈上分配xxx字节的临时空间
• push xxx——如果有必要，保存名为xxx寄存器的内容
• pop xxx——将栈顶数据恢复到xxx寄存器
• mov esp,ebp——恢复esp，回收栈局部变量空间
• pop ebp——从栈中恢复保存的ebp的值
• ret ——从栈中取回返回地址，并跳转到该位置。

一个例子：

调用惯例（一种调用方和被调用的约定）

如果函数调用方决定利用寄存器传递参数，而函数本身却以栈的方式传递，那么函数无法获取正确的参数。调用方和被调用方对于函数如何调用有一个明确的约定，只有双方遵守同样的约定，函数才能被正确调用，这样的约定被称作调用惯例。

• 参数传递顺序和方式
• 栈的维护方式
• 名字修饰的策略

c语言中使用的cdel惯例：

看一个例子：

• 虚线表示指令执行后的栈状态
• 实线表示程序的跳转状态

最好按照执行过程走一遍，弄清楚整个流程。

函数返回值传递

函数返回值存储在eax中，返回后函数的调用方再读取eax。但是exa只有4个字节，那么如何返回大数据的返回值呢。

几乎所有的调用惯例都是采用eax和edx联合返回的方式进行。exa存储低1-4字节，edx存储高1-4字节。

可以通过反汇编来分析eax和edx

源代码：

分析结果:

如果返回值的尺寸太大，C语言在函数返回时会使用一个临时的栈上内存区域作为中转，结果返回值的对象会被拷贝两次，所以不到万不得已不要轻易返回大尺寸的对象。

堆

堆的内存管理比栈更为复杂，在任意时刻程序都可能发出请求，要么申请一段内存，要么释放一段已经申请过的内存。

栈在函数返回时数据就会被清空，所以无法将数据传递至函数外部，而全局变量没有办法动态产生，只能在编译的时候定义，所以堆是唯一的选择。

堆是一块巨大的空间，占有虚拟内存很大一部分。程序可以在堆上主动申请一块连续的内存，直到程序主动放弃。

int main(){
  char* p=(char *)malloc(1000);
  //p指针指向1000大小的数组
  free(p);
}

malloc一种简单的实现是通过操作系统内核去完成的，把进程的内存管理给操作系统内核，系统提供一个系统调用。但是这样性能比较差，因为程序申请释放堆的操作比较频繁，每次都需要在用户太和内核态切换会消耗非常大的开销。比较好的做法就是把程序向操作系统申请一块适当大小的堆空间，然后由程序自己管理这块空间，往往是通过运行库来管理的。

运行库充当的而是像操作系统批发一块较大堆空间角色，然后零售给程序使用。当全部使用完或者程序有大量内存需求的时候，运行库再向操作系统进货。通过堆分配算法来保证分配的内存不会出现冲突。

Linux进程堆管理

Linux 提供了两种堆空间的分配方式（两种系统调用），一种是brk系统调用，一种是mmap系统调用。brk原型int brk（void* end_data_segment）

brk

brk作用实际上就是设置进程数据段的结束地址，扩大 或者缩小数据端，如果数据段结束地址向高地址移动那么扩大的部分就可以被使用。另一个和brk类似的是sbrk，只不过sbrk传入的是需要增加空间的大小（负数就是减小），返回时值数据段的结束为止，其实就是对brk的一次包装。

mmap

作用是向操作系统申请一段虚拟地址空间，这块虚拟地址空间可以映射到某个文件，当不再映射到某个文件的时候，又叫这个空间为匿名空间——虚拟内存和磁盘交换

声明如下：

字段	含义
start	申请空间的起始地址
length	申请空间的大小，和start决定虚拟空间
prot	设置申请空间的权限，可读、可写、可执行
flags	映射类型，比如文件映射、匿名空间等
fd	文件描述符
offset	文件偏移

malloc

glibc中是通过malloc申请空间的，小于128kb的请求来讲会在现有的堆空间里面，安装堆分配算法分配一块空间并返回；如果大于128kb的请求会通过mmap申请一块匿名空间，然后在匿名空间中为用户分配空间。

申请空间的其实地址和代销都必须是系统页大小的整数倍。所以对于字节很小的请求用mmap的话，会非常浪费。

Windows进程堆管理

关于Windows的内容这里暂时先省略，有感兴趣的同学可以自己去看一看。

值得注意的几个问题

• 一个堆里面的空间，如果被多次释放，那么会在重复释放的时候产生错误
• 调用malloc首先会从系统分配给应用功能的堆里面去取，如果不够用才会通过系统调用再申请空间
• malloc申请的空间在进程结束后都不会存在了，不仅内存如此。凡是和进程相关的资源，比如地址空间，物理内存，打开的文件，网络链接等都会被系统回收
• malloc申请的空间在虚拟空间是连续的，在对应的物理空间不一定连续

堆分配算法

如何管理一大块连续的内存空间，能够按照需求 分配和释放，这就是堆分配算法。堆分配算法有很多种，这里介绍简单的几种

空闲链表

空闲链表就是把堆中各个空闲的块通过链表的方式联系起来，当前用申请一块空间的时候 ，可以遍历整个链表，直到找到合适大小的块，并将它拆分，当用户释放空间的时候将它合并到空闲链表中。

当找到了足够容纳请求的一个空闲快，会把块分为两个部分，一部分为程序申请的，一部分是没有用到剩下的的（申请的和块大小不一定完全一样）。下图表示申请了一块和空闲块2相等堆后的状态

在释放的时候，需要知道这个块的大小，那就在后面多加4个字节，用于存储分配的大小。这样在释放的时候就知道大小了。

位图

核心思想就是把整个堆分为大量的块，每个块的大小相同，当用户申请的时候，总是分配给整数个块给用户。第一个块称为分配区域的头，其余的我主体。那么所有的块只有三种状态头（H）、主体（B）、空闲（F）。所有可用两个二进制就能表示出来。

其中11表示H，10表示主体，00表示空闲
如上图，这个堆分配3个片内存，分别有2、4、1块。对应的位图是

• 速度快：整个堆空闲信息存储在一个数组内，隐藏访问数组时cache容易命中。
• 稳定性好
• 快不需要额外的信息
• 但是分配内存的时候容易造成随便，比如分配300字节，实际分配了3个快，也就是384.

对象池

上面两种是最为基本的。被分配对象大小是较为固定的几个值。对象池是一个对于这种场景更为高效的算法。

思路：如果一次分配的空间大小都一样，那么就可以按照这个每次请求分配的大小作为一个单位，把整个堆空间划分为大量的小块，没次请求的时候只需要找到以小块就可以了。

核心在于与上面两种的区别是假定每次请求的都是一个固定的大小，因此实现起来容易。

实际中堆分配算法往往是结合起来的，比如glilbc，对于64字节空念的申请，采用的是类似于对象池的方式，对于大于512字节的采用最佳适配算法，对于大于128KB的，会直接使用mmap机制直接向操作系统申请。

小结

这一节总体看来不是特别复杂，因为这一层平时接触比较多。相对于编译连接，静态、动态库之类的要简单很多。