C语言内存模型详解
second60 20180415
1 内存模型
在C语言中，内存可分用五个部分：
1. BSS段（Block Started by Symbol): 用来存放程序中未初始化的全局变量的内存区域。
2. 数据段（data segment): 用来存放程序中已初始化的全局变量的内存区域。
3. 代码段（text segment): 用来存放程序执行代码的内存区域。
4. 堆（heap）：用来存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上，当进程调用free释放内存时，会从堆中剔除。
5. 栈（stack）：存放程序中的局部变量（但不包括static声明的变量，static变量放在数据段中）。同时，在函数被调用时，栈用来传递参数和返回值。由于栈先进先出特点。所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。
APUE中的一个典型C内存空间分布图
如下往上，分别是text段，data段，BSS段，堆，栈
Linux下32位环境的用户空间内存分布情况
由上图可知：
0x0000 0000:保留区域, 最底层
代码区：用来存放程序代码和常量，只读(运行期会一直存在)
常量区：一般常量，字符常量，只读(运行期会一直存在)
全局数据区：全局变量和静态变量，可读写(运行期会一直存在)
堆段：malloc/free的内存，malloc时分配，free时释放(向上增长)
未分配堆内存
0x4000 0000:动态链接库
未分配栈内存
栈段：局部变量，函数调用参数返回值(向上增长)
0xc000 0000 ~ 0xffff ffff:内核空间(1G)
2栈详解
栈(stack): 是由系统自动分配和释放，存放函数的参数值，返回值，局部变量等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2.1栈的申请
1. 当在函数或块内部声明一个局部变量时，如：int nTmp; 系统会判断申请的空间是否足够，足够，在栈中开辟空间，提供内存；不够空间，报异常提示栈溢出。
2. 当调用一个函数时，系统会自动为参数当局部变量，压进栈中，当函数调用结束时，会自动提升堆栈。（可查看汇编中的函数调用机制）
2.2栈的大小
栈是有一定大小的，通常情况下，栈只有2M，不同系统栈的大小可能不同。
在linux中，查看进程/线程栈大小，命令： ulimit -s
$ ulimit -s
$ 8192
我的系统中栈大小为 8192, 有些系统为 10240, 具体查看自已系统栈大小
设置栈大小：
1. 临时改变栈大小：ulimit -s 10240
2. 开机设置栈大小：在/etc/rc.local中加入 ulimit -s 10240
3. 改变栈大小： 在/etc/security/limits.conf中加入
* soft stack 10240
所以，在声明局部变量时，新手要特别注意栈的大小：
1. 对于局部变量，尽量不定义大的变量,如大数组（大于2*1024*1024字节）
char buf[2*1024*1024]; // 可能会导致栈溢出
2. 对于内存较大或不知大小的变量，用堆分配，局部变量用指针，注意要释放
char* pBuf = (char*)malloc(2*1024*1024); // char* 为局部变量 malloc的内存在堆
free(pBuf);
3. 或定义在全局区中，static变量 或常量区中
static char buf[2*1024*1024];
2.3栈的生长方向
栈的生长方向和存放数据的方向相反，自顶向下
2.4 栈分配例子
int function( int var1 ,int var2)
{
int var3;
int var4;
}
var1,var2,var3在栈中的图如下:
0xc000 0000 |
var1 |
0xc000 0000 - 4 |
var2 |
0xc000 0000 - 8 |
var3 |
0xc000 0000 - 12 |
var4 |
3 堆详解
堆（heap）:是用来存放动态申请或释放的区域。需要程序员分配和释放，系统不会自动管理，如果用完不释放，将会造成内存泄露，直到进程结速后，系统自动回收。
3.1 堆的目的
为什么在堆呢？原因很简单，在栈中，大小是有限制的，能常大小为2M，如果需要更大的空间，那么就要用到堆了，堆的目的就是为了分配使用更大的空间。
3.2申请和释放
int function()
{
char *pTmp = (char*) malloc(1024); // malloc在堆中分配1024字节空间
//pTmp 为局部变量，只占四字节
free(pTmp); // free为手动释放堆中空间
pTmp = NULL; // 防止pTmp变野指针误用
}
3.3堆的大小
堆是可以申请大块内存的区域，但堆的大小到底有多大，下面分析下，以32位系统为例。
在linux中，堆区的内存申请，在32位系统中，理论上：2^32=4G，但如上面的内存分布图可知：内核占用1G空间。
0xFFFF FFFF |
1G内核空间 |
0xC000 0000 |
|
0XBFFF FFF |
3G用户空间(包text段，data段，BSS段，堆，栈) |
0x0000 0000 |
如上所知，理论上，使用malloc最大能够申请空间大约3G。但这是理论值，因为实际中，还会包含代码区，全局变量区和栈区。
char *buf = (char*) malloc(3GB); // 理论上
3.4 堆的生长方向
如上面的图可知，堆是由低地址向高地址生长的
3.5 堆的注意事项
堆虽然可以分配较大的空间，但有一些要注意的地方，否则会出现问题。
1. 释放问题：分配了堆内存，一定要记得手动释放，否则将会导致内存泄露
void* alloc(int size)
{
char* ptr = (char*)malloc(size);
return ptr;
}
上面函数如果外部调用，没有释放，将内存不会释放造成泄露
2. 碎片问题：如果频繁地调用内存分配和释放，将会使堆内存造成很多内存碎片，从而造成空间浪费和效率低下。
a) 对于比较固定，或可预测大小的，可以程序启动时，即分配好空间，如：某个对象不会超过500个，那个可先生成，object *ptr = (object*)malloc(object_size*500);
b) 结构对齐，尽量使结构不浪费内存
3. 超堆大小问题：如果申请内存超过堆大小，会出现虚拟内存不足等问题
a) 尽量不要申请很大的内存，如直需要，可采用内存数据库等
4. 分配是否成功问题：申请内存后，都在判断内存是否分配成功，分配成功后才能使用，否则会出现段错误
char * pTmp = (char*)malloc(102400);
if(pTmp == 0) // 一定在记得判断
{
return false;
}
5. 释放后野指针问题：释放指针后，一定要记得把指针的值设置成NULL，防止指针被释放后误用
free(pTmp);
pTmp = NULL; // 防止变野指针
6. 多次释放问题：如果第5并没置NULL，多次释放将会出现问题。
4 例子
int g_var = 0; // data段
int g_var1; // BSS 段
char g_str; // BSS 段
char g_str = “hello world”; // g_str data段 , hello world 字段常量区
char* g_ptr = NULL; // data段
int test()
{
char l_var[1024]; // 栈
g_ptr = (char*)malloc(1024); // mall内存 椎中
static int g_int =1; // data 段中
}
复习下C语言内存模型，网上虽然有很大内存模型的介绍，但是比较零散，本文详细地介绍了其中的细节，当然也有不完善的地方，欢迎补充。