Linux C程序内存管理

前言

现代的应用程序基本都运行在独立的虚拟地址空间中，在这段地址空间中，程序可以根据自己的需要为代码指令、运行数据等分配内存资源。为了便于实现，大多数程序都会遵循相对一致的规则对内存进行管理。

C程序的内存布局

在32位的系统中，程序支持最大可寻址4GB大小的内存空间，下图是32位Linux系统中，C程序在被装载运行后，在内存空间中的布局：

32位的Linux系统默认将高地址的1GB空间分配给内核，剩余的3GB空间分配给用户程序，称为用户地址空间。用户程序使用的内存空间通常包含如下几个部分：

保留未用：从低地址0到代码段起始部分的一段内存空间，一般都被保留未使用，程序也无权限进行访问；
程序代码段：代码段包含提供给CPU执行的指令部分。通常，代码段是只读的，目的就是防止程序运行过程中，发生意外导致指令被篡改。在32位系统上，代码段通常起始于虚拟地址0x8048000；64位系统则一般起始于虚拟地址0x400000
只读数据段：该段通常对应于可执行文件的.rodata段，保存了程序中不可变的数据，如常量、字符串常量等
初始化数据段：已初始化的数据部分，对应可执行文件的.data段
未初始化数据段：未初始化的数据部分，对应于可执行文件的.bss段
堆：应用程序通常在堆中进行动态内存分配，比如我们平时使用malloc分配的内存，都是从堆内存中获得。一般堆使用的内存区域都是紧接在数据段之后，并且会在程序分配内存时动态向上扩展
栈：栈用于维护函数调用的上下文。每次执行函数调用时，都会将函数返回地址以及调用者的环境信息保存到堆栈中；并且当前函数还会在栈上为局部变量分配存储空间。栈空间由处理器自动进行维护，用户无需干涉

C变量的存储类别

C语言程序中的变量依据其在程序运行期间的生存周期，可以分为静态存储、动态存储：

静态存储：静态存储的变量，在整个程序的生命周期内都存在，包括全局变量和静态局部变量等。静态存储区中的变量，由编译器在程序编译和链接时进行分配；
动态存储：动态存储的变量，由程序在运行期间，根据需要动态地分配内存进行存储。堆和栈上保存的数据都属于动态分配的方式，区别是栈空间由系统自动分配和释放；堆空间需要程序手动进行分配，并且手动进行释放

考虑如下的C程序，定义了不同存储类别的变量，可以对比查看不同变量的存储性质：

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

int g_init_var = 1; // 全局变量，静态存储方式

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *ptr = NULL;
    static int static_var = 1;  // 静态局部变量，静态存储方式
    int x;  // 栈上局部变量

    ptr = (char*)malloc(sizeof(int));   // 堆上内存分配
    if (ptr != NULL) {
        free(ptr);
    }

    return 0;
}

栈

栈，又称堆栈，是现代计算机程序极为重要的组成部分，几乎所有的函数调用都依赖于栈进行实现。栈维护了一个函数调用过程中所需要的信息，被称为栈帧。栈帧中一般维护了以下几类重要的数据：

函数返回地址：函数返回地址记录了函数执行完成后，退出函数调用时需要执行的下一条指令；
函数参数：在调用子函数时，程序将函数参数依序保存在栈上，子函数使用帧指针+偏移的方式访问这些参数；
保存的寄存器：保存了函数调用前后需要保持不变的寄存器；
局部变量：函数调用过程中使用的非静态局部变量均默认保存在栈上，函数退出后，这些变量也会被释放而不可使用

如下图，是一个函数调用过程中，栈帧所保存的信息：

在程序运行过程中，每次执行函数调用，都会建立这样的一个栈帧，连续的过程调用会让栈不断朝着“栈顶”的方向进行扩展；在函数调用完成后，栈帧会被自动释放，栈也会随之缩减。在大多数体系结构上，栈的扩展方向都是由高地址向低地址进行扩展。

堆内存

堆用于存放程序运行时动态分配的内存区域，可动态扩展或缩减。在进程的地址空间中，堆往往占据着很大一部分，程序可以从中申请很大的连续内存进行使用。与栈空间会随着函数调用自动分配和释放相比，堆内存需要程序手动进行管理。C运行库提供了mallc和free两个接口用于C程序对堆内存的管理。当程序调用malloc时，malloc会从系统分配指定大小的内存添加到堆上；当调用free时，free将指定的内存从堆上移除。需要注意的是，堆内存一旦申请，如果程序忘记释放，那么在整个程序的运行期间，这段内存都会存在，从而导致内存泄漏。C程序内存分配示意如下：

替代的堆内存分配程序

默认情况下，程序都是使用glibc中提供的malloc/free接口来分配内存，但很多系统已经提供了替代默认堆分配接口的库，有兴趣的可以去了解一下。这里给出两个在多处理器环境下，使用多线程的应用程序中具有良好性能表现的两个内存分配库：

TCMalloc：TCMalloc库由Google-perftools工具集提供，并且是完全开源的
jemalloc：jemalloc库是FreeBSD 8.0中的默认存储空间分配程序

Aspiresky

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替代的堆内存分配程序

相关参考

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