C语言程序内存布局
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作者:super_bert@csdn
一、几个概念
1.栈(Stack)
C语言通过栈来维护函数调用上下文，也就是说C中的函数、函数参数列表、局部变量、函数返回值都保存在栈内存中，在完成函数调用之后栈帧随即销毁，至于具体的压栈顺序和上下文维护工作由谁来完成，则取决于函数的调用方式(cdecl/stdcall/fastcall/pascal).
关于C函数调用约定，或者叫调用惯例(Calling Convention)，以下表格中，个人认为出栈方应该叫做栈的维护方更确切，表格：
栈帧一般包括如下几方面内容：
①函数的参数列表和返回值(返回地址)；
②临时变量：包括非静态局部变量和编译器自动生成的其他临时变量；
③保存的上下文：包括函数调用前后需保持不变的寄存器。
栈增长示意图
2.堆(Heap)
堆空间是需要程序自行申请的，简言之 在C语言程序中对空间由malloc函数族(malloc/alloc/calloc/realloc)申请，当然在C++中还有new关键字。堆空间由程序猿自行申请，也需由程序猿自行释放(此处，Javaer们笑看你们打脸)。malloc/free new/delete分别对应申请和释放内存，new/delete是C++中的关键字，不是函数。
通常情况下比较好的做法是，free掉之后，立即将指针置为NULL，因为通常if语句只会去判断指针是否为NULL(0x00000000),堆空间(内存)在free掉之后，该指针并不会指向NULL，也就是说free掉的是内存而不是指针，如果程序之后又用到该指针，后果将是不可预知的。如果被置为NULL，则可以被if语句检测出来，防止自己给自己留坑，C中的坑已经够多的了。
glibc中的malloc函数是这样处理用户堆空间请求的：
①对于小于128KB的请求，在现有的堆空间里，按照分配算法为他分配一块空间并返回；
②对于大于128KB的请求，malloc内部会调用mmap()函数分配一块匿名空间，然后在这块匿名空间中为用户分配空间。
mmap函数的具体用法请参考Linux manpage，Windows环境下是没有mmap函数的，malloc函数族应该是依赖于 VirtualAlloc()函数申请堆空间。
3.动态链接库(Dynamic Libraries)
Linux/Unix环境下应该是***.so之类的文件，Windows下则是DLL(Dynamic Linking Libraries)。
二、Linux进程地址空间
先上图，箭头代表stack和heap的增长方向，dynamic libraries在2.4和2.6以后的内核中装载位置不一样，分别为0x40000000,0xBFXXXXXX.
Linux采用了分页的内存管理机制。由于x86体系的分页机制是基于分段机制的，因此，为了使用分页机制，分段机制是无法避免的。为了降低复杂性，Linux内核将所有段的基址都设为0，段限长设为4G，只是在段类型和段访问权限上有所区分，并且Linux内核和所有进程共享1个GDT，不使用LDT(即系统中所有的段描述符都保存在同一个GDT中)，这是为了应付CPU的分段机制所能做的最少工作。
Linux内存管理机制可以分为3个层次，从下而上依次为物理内存的管理、页表的管理、虚拟内存的管理。
三、Windows进程地址空间
相较Linux而言，Windows环境下的进程空间布局就显得"支离破碎",
各位看官么看完这图估计会有点奇怪，一开始我也奇怪，为啥会有那么多stack呢？上面有说到，栈用于维护函数调用上下文，一个进程中调用函数所需存储的参数/变量/返回值，哪用得了那么多栈内存。
造成需要这么多栈内存的原因如下，每个线程的栈空间都是独立的，而Windows程序一般都是多线程，很大一部分原因Windows的进程耗费资源太大，线程优化得比*nix要好得多。试想一下，若在一个进程中通过CreateThread创建了多个线程，然后每个线程的栈空间都是独立的，且可以通过CreateThread API的参数来指定(系统默认的每个线程栈大小为1M byte)，所以一旦程序起起来，内存空间已经支离破碎了。
然而我们的应用程序得在这个支离破碎的内存空间中去malloc堆(heap)空间，VirtualAlloc().
malloc函数族在Windows环境下最终依赖于VirtualAlloc()函数实现，而VirtualAlloc()函数像操作系统申请的空间必须是页大小的整数倍，也就是说对于x86系统一次性申请的heap最少是4096个byte，OS就是这么定的。但是OS还提供了一个堆管理器，堆管理器每次向OS申请一大片heap空间，然后在申请到的空间里给应用程序进行malloc。
HeapCreate创建一个堆；
HeapAlloc从堆空间中申请内存；
HeapFree释放内存；
HeapDestroy销毁一个堆；
相当于咱们从冷库里一次性批发了一箱冰激凌放在家里，咱们想吃的时候就一个一个去冰箱拿，想吃几个就拿几个。
此文只是抛砖引玉，其中很多地方都值得深入去研究、理解。
参考：http://www.cnblogs.com/zszmhd/archive/2012/08/29/2661461.html
x64系统程序内存布局请参考：http://blog.chinaunix.net/uid-27119491-id-3325943.html
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calloc(), malloc(), realloc(), free(),alloca()
内存区域可以分为栈、堆、静态存储区和常量存储区，局部变量，函数形参，临时变量都是在栈上获得内存的，它们获取的方式都是由编译器自动执行的。
利用指针，我们可以像汇编语言一样处理内存地址，C 标准函数库提供了许多函数来实现对堆上内存管理，其中包括：malloc函数，free函数，calloc函数和realloc函数。使用这些函数需要包含头文件stdlib.h。
四个函数之间的有区别，也有联系，我们应该学会把握这种关系，从而编出精炼而高效的程序。
在说明它们具体含义之前，先简单从字面上加以认识，前3个函数有个共同的特点，就是都带有字符”alloc”，就是”allocate”，”分配”的意思，也就是给对象分配足够的内存，” calloc()”是”分配内存给多个对象”，” malloc()”是”分配内存给一个对象”，”realloc()”是”重新分配内存”之意。”free()”就比较简单了，”释放”的意思，就是把之前所分配的内存空间给释放出来。
void *calloc(size_t nobj, size_t size);
分配足够的内存给nobj个大小为size的对象组成的数组, 并返回指向所分配区域的第一个字节的指针;
若内存不够,则返回NULL. 该空间的初始化大小为0字节.
char *p = (char *) calloc(100,sizeof(char));
void *malloc(size_t size);
分配足够的内存给大小为size的对象, 并返回指向所分配区域的第一个字节的指针;
若内存不够,则返回NULL. 不对分配的空间进行初始化.
char *p = (char *)malloc(sizeof(char));
void *realloc(void *p, size_t size);
将p所指向的对象的大小改为size个字节.
如果新分配的内存比原内存大, 那么原内存的内容保持不变, 增加的空间不进行初始化.
如果新分配的内存比原内存小, 那么新内存保持原内存的内容, 增加的空间不进行初始化.
返回指向新分配空间的指针; 若内存不够,则返回NULL, 原p指向的内存区不变.
char *p = (char *)malloc(sizeof(char));
p= (char *)realloc(p, 256);
void free(void *p);
释放p所指向的内存空间; 当p为NULL时, 不起作用.
p必先调用calloc, malloc或realloc.
值得注意的有以下5点：
（1）通过malloc函数得到的堆内存必须使用memset函数来初始化
malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。因此，一般在使用该内存空间时，要调用另一个函数memset来将其初始化为全0，memset函数的声明如下：void * memset (void * p,int c,int n) ;
该函数可以将指定的内存空间按字节单位置为指定的字符c，其中，p为要清零的内存空间的首地址，c为要设定的值，n为被操作的内存空间的字节长度。如果要用memset清0，变量c实参要为0。
malloc函数和memset函数的操作语句一般如下：
int * p=NULL;
p=(int*)malloc(sizeof(int));
if(p==NULL)
printf(“Can’t get memory! ”);
memset(p,0,siezeof(int));
（2）使用malloc函数分配的堆空间在程序结束之前必须释放
从堆上获得的内存空间在程序结束以后，系统不会将其自动释放，需要程序员来自己管理。一个程序结束时，必须保证所有从堆上获得的内存空间已被安全释放，否则，会导致内存泄露。
我们可以使用free()函数来释放内存空间，但是，free函数只是释放指针指向的内容，而该指针仍然指向原来指向的地方，此时，指针为野指针，如果此时操作该指针会导致不可预期的错误。安全做法是：在使用free函数释放指针指向的空间之后，将指针的值置为NULL。
（3）calloc函数的分配的内存也需要自行释放
calloc函数的功能与malloc函数的功能相似，都是从堆分配内存,它与malloc函数的一个显著不同时是，calloc函数得到的内存空间是经过初始化的，其内容全为0。calloc函数适合为数组申请空间，可以将size设置为数组元素的空间长度，将n设置为数组的容量。
（4）如果要使用realloc函数分配的内存，必须使用memset函数对其内存初始化
realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数的功能更为丰富，可以实现内存分配和内存释放的功能。realloc 可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变。当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失。realloc 并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址。相反，realloc 返回的指针很可能指向一个新的地址。
所以，在代码中，我们必须将realloc返回的值，重新赋值给 p :
p = (int *) realloc(p, sizeof(int) *15);
甚至，你可以传一个空指针（0）给 realloc ，则此时realloc 作用完全相当于malloc。
int* p = (int *)realloc (0,sizeof(int) * 10); //分配一个全新的内存空间，
这一行，作用完全等同于：
int* p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
（5）关于alloca()函数
还有一个函数也值得一提，这就是alloca()。其调用序列与malloc相同，但是它是在当前函数的栈帧上分配存储空间，而不是在堆中。其优点是：当函数返回时，自动释放它所使用的栈帧，所以不必再为释放空间而费心。其缺点是：某些系统在函数已被调用后不能增加栈帧长度，于是也就不能支持alloca 函数。尽管如此，很多软件包还是使用alloca函数，也有很多系统支持它。
总结：应用时候需要记得，只有calloc可以指定个数和大小，而且能够对分配内存进行初始化，其余函数均不会对内存进行初始化工作，需要自行调用memset（）函数.
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