堆棧的簡單認識

　　  寫堆棧，一是由於在工做中有時會碰到，腦子裏有這個概念可是又沒有一個完整的框架；二是我剛開始工做時，導師問我malloc，我竟徹底不知這個函數，更不知道malloc是從堆中分配內存，因此如今補上。

         文中不少語句都是引用他人，無心抄襲，在此說明一下，如有冒犯，請告知。

         這篇文章先從程序內存佈局講起，說明堆棧在Linux進程內存空間中的位置，而後再分別說明堆棧的基本概念、做用。

 

Linux進程內存佈局

         現代的應用程序都是運行在內存空間中的，在32位的系統裏，這個內存空間擁有4GB的尋址能力。實際上，每一個應用程序（或者說進程）都有本身獨立的內存空間，即經過虛擬內存來實現（具體虛擬內存知識暫不介紹）。

         大多數操做系統都會將4GB的內存空間中的一部分分配給內核使用，應用程序沒法訪問這一段內存，這一部份內存空間稱之爲內核空間。Linux默認將高地址的1GB內存空間分配給內核。剩下的3GB內存空間稱之爲用戶空間。在用戶空間裏，也有許多默認的內存區域，例如堆棧，可執行文件映像，保留區。下圖是一個Linux典型的內存佈局：

                                                           

 

棧

1、什麼是棧

         棧是現代計算機程序裏最重要的概念之一，幾乎每個程序都使用了棧，沒有棧就沒有函數，沒有局部變量。

    在經典的計算機科學中，棧被定義爲特殊的容器，用戶能夠將數據壓入棧中（入棧，push），也能夠將已經壓入棧中的數據彈出（出棧，pop），且棧遵照一條規則，即先入後出。

         經典的操做系統中，棧老是向下生長。在i386下，棧頂由稱爲esp的寄存器進行定位，壓棧的操做會使棧頂的地址減少，彈出的操做使棧頂的地址增大。

2、棧的做用是什麼

         棧在程序運行中具備舉足輕重的地位，最重要的，棧保存了一個函數調用所須要的維護信息，一般被稱爲堆棧幀（stack frame）或活動記錄。堆棧幀通常包括如下幾方面的內容：

    --函數的返回地址和參數

         --臨時變量：包括函數的非靜態局部變量以及編譯器自動生成的其餘臨時變量

         --保存的上下文：包括在函數調用先後須要保持不變的寄存器

 

堆

1、堆的定義和做用

         光有棧對於面向過程的程序設計還遠遠不夠，由於棧上的數據在函數返回的時候就會被釋放掉，因此沒法將數據傳遞至函數外部。而全局變量沒法動態產生，只能在編譯的時候定義，不少狀況下缺少表現力。在這種狀況下，堆（heap）是惟一的選擇。

         堆是一塊巨大的內存空間，經常佔據整個虛擬空間的絕大部分。在這片空間裏，程序能夠請求一塊連續內存，並自由的使用，這塊內存在程序主動放棄以前會一直保持有效。

         malloc是libc裏面實現的一個函數，中文叫動態內存分配，用於從堆中獲取內存。可是malloc是如何實現的呢？有一種實現方法是，將進程的內存管理交給操做系統去處理，既然內核管理着進程的地址空間，那麼若是它提供一個系統調用，可讓程序使用這個系統調用來申請內存，這是一種理論上可行的方法，可是實際這樣去作性能會很是差，由於每次程序申請或者釋放堆空間都須要進行系統調用，而系統調用的性能開銷很是大，當程序對堆的操做越頻繁時，這樣作的後果是會嚴重影響程序的性能。比較好的作法是程序向操做系統申請一塊適當大小的空間，而後由程序本身管理，而具體來說，管理着堆空間分配的每每是程序的運行庫。

         運行庫至關因而向操做系統「批發」了一塊較大的堆空間，而後「零售」給程序用。當所有「售完」或者有大量的內存需求時，再根據實際需求向操做系統「進貨」。運行庫在向程序零售堆空間時，必須管理他批發來的堆空間，不能把同一塊地址出售兩次，因而運行庫須要一個算法來管理堆空間，即堆的分配算法。