堆内存和栈内存及C++内存分配

1.现代操作系统内存管理

1. 主流的操作系统(Windows,Linux)都采用虚拟内存管理的方式，具体说就是：页式管理、段式管理、段页式管理。
2. 操作系统分配资源的单位是进程，所以，内存管理的过程也是以进程为单位的。

进程的地址空间

• 这里的地址空间指的都是虚拟地址空间。

• 要将进程的地址空间分为两部分：用户空间和内核空间。内核空间中存放内核的代码和数据，这个是用户空间不能随意访问的，只能通过系统调用陷入内核空间。用户空间存放用户的代码和数据。

  

• 在Linux32位系统下，将1G用作内核空间，3G用于用户空间。虚拟的，虚拟的，虚拟的。

• C++典型的内存分配

  

  一个C++程序运行的时候，操作系统自动为其生成一个PCB，将程序的内容链接到此PCB的虚拟空间中，用户空间的内存模型刚好对应C++程序的内存。

  一个C程序对应的内存模型：

  1. 代码区：存放程序执行的二进制代码，只读。
  2. 数据区：
     1. 已初始化的静态变量和全局变量。编译时就分配好内存
     2. 未初始化的静态变量和全局变量。
     3. 有的系统将常量放在代码区，而有的放在数据区。
  3. 栈区：这就是所说的栈内存，由高地址向低地址增长。
  4. 堆区：堆内存，由低地址向高地址增长。

  一个C++对应的内存模型

  1.栈，就是那些由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。
  2.堆，就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。
  3.自由存储区，就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。
  4.全局/静态存储区，全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。
  5.常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改（当然，你要通过非正当手段也可以修改）

内存分配

1. 栈内存分配：

   栈内存分配一般由编译器负责分配和释放，栈上存放的是：局部变量，函数返回地址等。

2. 堆内存分配

   堆内存的操作，一般由使用者来操作，系统提供了操作堆内存的借口，而且，编程语言也提供了操作堆内存的方法。

   堆内存一般是由(malloc/free/new/delete)来操作的。

堆内存的管理

堆内存由大小的限制，而且，操作不需要程序员关心，只 大专栏  堆内存和栈内存及C++内存分配需要确保不会栈溢出就好。

1. 申请堆内存的过程：

   通过malloc第一次申请内存，会触发一个缺页中断，然后陷入内核，通过调用brk系统调用，申请一片大的连续内存地址空间，放到空闲链表。然后，再执行一次刚才引起缺页中断的命令，即(malloc)。

假设操作系统或者一个进程已经获得了一块连续地址的内存，系统或进程在执行过程中需要利用这块内存来满足各种内存请求。由于内存请求存在动态性，即每次请求的内存大小可能不相同，甚至差异很大，并且这些小内存块的生命周期也不尽相同，所以，系统需要提供合适的算法来尽可能地满足这些动态的内存请求。在现代计算机系统中，堆（heap ）正是这样一个提供动态内存分配能力的内存抽象。操作系统使用堆来满足各种动态内存请求，应用程序通过堆获得内存。

操作系统对于堆内存的管理，主要有两种方式：

1. 位图法

   使用这种方法，内存被分为很多以字节划分的单元，然后，用一个类似于数组的东西，用每一位0/1来标记这个内存块空闲或者已被使用。

   缺点：位图要占用内存。需要大内存，搜索连续的0较为费时。

2. 空闲链表法

   在初始化时，整个空闲的内存被当做一个一个大的链表块，加入到空闲链表中，每当申请内存时，从空闲链表中找一块空的链表并且合适的可满足要求的内存块，取出所需要大小的内存交给申请者。然后，将已分配出去的内存加入到已分配链表中，当此块内存释放的时候，再将其加入到空闲链表中。

   所以，针对这种分配法，提出了很多算法

   1. 最先匹配法（first-fit ），从空闲链表中找到第一个满足客户请求的空闲块。
   2. 最佳匹配法（best-fit ），从空闲链表中找到最接近于客户请求大小的空闲块。
   3. 最差匹配法（worst-fit），从空闲链表中找到最大的空闲块。
   4. 下一个匹配法（next-fit ），从空闲链表的当前位置往后扫描，找到第一个满足客户请求的空闲块。

   缺点：通过较多次的分配后，产生大量的内存碎片（因为，每次分配的内存大小不同）。内存碎片又分为外碎片(两块)

   而且，实现的时候，一般都是双链表，方便检查两块是否可以合并。

3. Slab算法

4. 伙伴系统

需要注意的是，1.上述都是针对于虚拟内存的，虚拟内存到物理内存的映射，由一个硬件称为MMU的单元管理。

2.操作系统并没有提供内存管理的这些方法，这些操作都是由库函数完成的。

堆内存和栈内存的区别

1. 大小的区别

   栈内存，大小限制一般为1MB-2MB

   堆内存，普通程序没有限制(2GB-3GB)

2. 增长方向的区别

   栈，由高地址向低地址增长

   堆，低地址向高地址增长

3. 空间管理的区别

   栈，由编译器自动管理，弹栈和压栈，不会产生内存碎片。

   堆，手动申请和释放，会产生大量内存碎片。

4. 效率的区别

   栈的效率高。现代机器有直接支持栈的指令，寄存器等

   堆，是在库函数层面实现的，效率低。而且，栈是进程初始化就分配好的，而堆是动态分配的。

5. 分配方式的区别

   栈是编译时分配空间，而堆是动态分配（运行时分配空间）