内存管理和静态区

内存结构和静态区域

内存结构

图中以32位系统为例，且从下往上地址逐渐变大

在32位操作系统中，最多可以寻址2^32bytes ≈ 4G 的虚拟内存空间。

虚拟内存空间

虚拟内存空间,通常被分为用户空间和内核空间两部分。

• 用户空间：应用和进程。
• 内核空间：操作系统内核和关键的系统功能。

隔离原因

1. 用于隔离应用和操作系统，避免访问或破环内核空间，有一定保护作用。

2. 便于权限管理。通常来说，当进程运行在内核空间时就处于内核态，而进程运行在用户空间时则处于用户态。

3. 当处于用户态的一个进程想要执行高权限操作时，通常就要使用系统调用。

内核空间

是操作系统内核代码和数据所占用的内存区域。

1. 用户代码不能读取也不能写入这些地址，如果尝试这样做，会导致分段错误（Segmentation Fault）。

2. 内核空间通常位于内存的高地址部分，而用户空间位于内存的低地址部分。

3. 内核空间通常只能由内核代码访问，用户态程序需要通过系统调用（System Calls）与内核进行交互。

用户空间

栈

1. 存储程序运行时所需的局部变量和函数调用信息。
2. 栈区通常从高地址向低地址分配内存。与作用域和函数调用的生命周期相关。

堆

1. 存储程序运行时动态分配的内存。
2. 多数情况下，地址增长方向和栈相反。
3. 堆区的内存分配和释放由程序员通过调用内存管理函数（如malloc，calloc，realloc和free等）来手动进行。

内存映射段

1. 其中文件被映射到进程的虚拟内存空间，以减少I/O开销并简化文件访问。

BSS 段

1. 存储未初始化的全局变量和静态变量。

数据段

1. 已初始化数据段：存储已经初始化的全局变量和静态变量。

2. 常量区——只读属性：

• 字符串，具有常性。
• const限定的全局变量：使用const关键字声明的全局或静态变量，它们的值在编译时就被确定，不能在运行时修改。
• 编译时确定的常量表达式：例如，可以使用#define预处理指令或者const关键字定义的常量表达式。

代码段

1. 也称为文本段，在内存中的主要作用是存储程序的可执行代码。

静态区总结

它们在程序的整个生命周期内都存在

BSS段

• 未初始化的静态变量和全局变量。

数据段

• 已初始化的静态变量和全局变量

局部静态变量

• 静态局部变量在程序运行期间保持其值。
• 静态局部变量在整个程序执行期间都存在。无法再被初始化（经典的场景有在循环中嵌套一个局部静态变量）。

类中的静态变量

实验部分

验证堆栈的内存分配走向

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void test_function() {
    int stack_var;
    printf("在main之后被调用的栈中的变量地址： %p\n", &stack_var);
}

int main() {
    int stack_var1;
    int* heap_var1 = (int*)malloc(sizeof(int));

    printf("main中的变量地址: %p\n", &stack_var1);
    printf("malloc开辟的第一个空间: %p\n", heap_var1);

    test_function();

    int* heap_var2 = (int*)malloc(sizeof(int));


    printf("malloc开辟的第二个空间 %p\n", heap_var2);

    free(heap_var1);
    free(heap_var2);

    return 0;
}

运行结果

• 高地址向低地址分配内存，且堆的分配方向和它相反。
• 因为这样可以在栈顶和堆之间留出足够的可用内存空间。当函数返回时，相应的栈帧会被弹出，释放分配的内存。这种分配方式使得栈能够高效地管理内存。