程序編譯後運行時的內存分配

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一、編譯時與運行時的內存情況

1.編譯時不分配內存
編譯時是不分配內存的。此時只是根據聲明時的類型進行佔位，到以後程序執行時分配內存纔會正確。所以聲明是給編譯器看的，聰明的編譯器能根據聲明幫你識別錯誤。
2.運行時必分配內存
運行時程序是必須調到“內存”的。因爲CPU（其中有多個寄存器）只與內存打交道的。程序在進入實際內存之前要首先分配物理內存。
3.編譯過程
只能簡單說一下，因爲如果要詳細的話，就是一本書了《編譯原理》。編譯器能夠識別語法，數據類型等等。然後逐行逐句檢查編譯成二進制數據的obj文件，然後再由鏈接程序將其鏈接成一個EXE文件。此時的程序是以EXE文件的形式存放在磁盤上。
4.運行過程
當執行這個EXE文件以後，此程序就被加載到內存中，成爲進程。此時一開始程序會初始化一些全局對象，然後找到入口函數（main()或者WinMain()），就開始按程序的執行語句開始執行。此時需要的內存只能在程序的堆上進行動態增加/釋放了。

 

二、程序運行時的內存結構：

第一種圖示：

另外一種圖示：

各區段功能說明： 

1、程序代碼區:存放函數體的二進制代碼。

2、全局區（靜態區）（static）:全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。 程序結束後由系統釋放。
3、文字常量區 :常量字符串就是放在這裏的。 程序結束後由系統釋放。
4、堆區（heap）: 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表。

5、棧區（stack）:由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。

堆指：（滿足堆性質的）優先隊列的一種數據結構，第1個元素有最高的優先權；

棧指：滿足先進後出的性質的數學或數據結構。
例如：

#include

#include

int overflow(char *buf)

{

char output[20];

strcpy(output,buf);

printf("out char output[20]/n",output);

getchar();

return 0;

}

int main()

{

char buf[100];

int j;

for(j=0;j<100;j++)

{

buf[j]='A';

}

overflow(buf);

return 0;

}

例：

ESP，EBP，EIP都是系統的寄存器，裏面存的都是些地址。

 爲什麼要說這三個指針，是因爲我們系統中棧的實現上離不開他們三個。

 棧的數據結構，主要有以下特點： 後進先出。 它還有以下兩個作用：1.棧是用來存儲臨時變量，函數傳遞的中間結果。2.操作系統維護的，對於程序員是透明的。

 通過一個小例子說說棧的原理：先寫個小程序：void fun(void){   printf("hello world")；}void main(void){  fun()  printf("函數調用結束");}這是一個簡單的函數調用的例子。當程序進行函數調用的時候，我們經常說的是先將函數壓棧，當函數調用結束後，再出棧。這一切的工作都是系統幫我們自動完成的。但在完成的過程中，系統會用到下面三種寄存器：1.ESP2.EBP3.EIP

當調用fun函數開始時，三者的作用。

1.EIP寄存器裏存儲的是CPU下次要執行的指令的地址。 也就是調用完fun函數後，讓CPU知道應該執行main函數中的printf（"函數調用結束"）語句了。

2.EBP寄存器裏存儲的是是棧的棧底指針，通常叫棧基址，這個是一開始進行fun()函數調用之前，由ESP傳遞給EBP的。（在函數調用前你可以這麼理解：ESP存儲的是棧頂地址，也是棧底地址。）

3.ESP寄存器裏存儲的是在調用函數fun()之後，棧的棧頂，並且始終指向棧頂。 

當調用fun函數結束後，三者的作用：

1.系統根據EIP寄存器裏存儲的地址，CPU就能夠知道函數調用完，下一步應該做什麼，也就是應該執行main函數中的printf（“函數調用結束”）。

2.EBP寄存器存儲的是棧底地址，而這個地址是由ESP在函數調用前傳遞給EBP的。等到調用結束，EBP會把其地址再次傳回給ESP。所以ESP又一次指向了函數調用結束後，棧頂的地址。

其實我們對這個只需要知道三個指針是什麼就可以，對我們學習棧溢出的問題以及看棧這方面的書籍有些幫助。 PS:<轉>例子://main.cpp  int a = 0; //全局初始化區
char *p1; //全局未初始化區
main()
{
int b; //棧
char s[] = "abc""; //棧
char *p2; //棧
char *p3 = "123456"; //123456\0在常量區，p3在棧上。
static int c =0； //全局（靜態）初始化區
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
}
分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。
編輯本段堆和棧的理論知識
1.申請方式 stack:
由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間
heap:
需要程序員自己申請，並指明大小，在c中malloc函數
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算符
如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
2.申請後系統的響應
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。
堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。
3.申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。
4.申請效率的比較
棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。
堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，它不是在堆，也不是在棧,而是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。
5.堆和棧中的存儲內容
棧： 在函數調用時，第一個進棧的是主函數中函數調用後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，然後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。
6.存取效率的比較 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
但是，在以後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
比如：
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}
對應的彙編代碼
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，在根據edx讀取字符，顯然慢了。

 

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