C语言和内存教程

1.程序的运行

对cpu来说，内存只是一个存放指令和数据的地方，具体的运算在cpu内完成。

1.寄存器（Register）

是CPU内部非常小、非常快速的存储部件，它的容量很有限，对于32位的CPU，每个寄存器一般能存储32位（4个字节）的数据，对于64位的CPU，每个寄存器一般能存储64位（8个字节）的数据。为了完成各种复杂的功能，现代CPU都内置了几十个甚至上百个的寄存器，嵌入式系统功能单一，寄存器数量较少。

寄存器在程序的执行过程中至关重要，不可或缺，它们可以用来完成数学运算、控制循环次数、控制程序的执行流程、标记CPU运行状态等。

2.缓存

虽然内存的读取速度已经很快了，但是和CPU比起来，还是有很大差距的，不是一个数量级的，如果每次都从内存中读取数据，会严重拖慢CPU的运行速度，CPU经常处于等待状态，无事可做。在CPU内部设置一个缓存，可以将使用频繁的数据暂时读取到缓存，需要同一地址上的数据时，就不用大老远地再去访问内存，直接从缓存中读取即可。

2.虚拟内存（内存地址都是假的）

1.虚拟地址

把程序给出的地址看做是一种虚拟地址（Virtual Address），然后通过某些映射的方法，将这个虚拟地址转换成实际的物理地址。这样，只要我们能够妥善地控制这个虚拟地址到物理地址的映射过程，就可以保证程序每次运行时都可以使用相同的地址。

除了在编程时可以使用固定的内存地址，给程序员带来方便外，使用虚拟地址还能够使不同程序的地址空间相互隔离，提高内存使用效率。

使用了虚拟地址后，程序A和程序B虽然都可以访问同一个地址，但它们对应的物理地址是不同的，无论如何操作，都不会修改对方的内存。

2.提高内存使用效率

使用虚拟地址后，操作系统会更多地介入到内存管理工作中，这使得控制内存权限成为可能。例如，我们希望保存数据的内存没有执行权限，保存代码的内存没有修改权限，操作系统占用的内存普通程序没有读取权限等。

3.内存对齐，提高寻址效率

将一个数据尽量放在一个步长之内，避免跨步长存储，这称为内存对齐。

在32位编译模式下，默认以4字节对齐；在64位编译模式下，默认以8字节对齐。

内存对齐由编译程序实现，编译时我们可以设置对齐长度。

4.内存分页机制

现代计算机都使用分页（Paging）的方式对虚拟地址空间和物理地址空间进行分割和映射，以减小换入换出的粒度，提高程序运行效率。

分页（Paging）的思想是指把地址空间人为地分成大小相等（并且固定）的若干份，这样的一份称为一页，就像一本书由很多页面组成，每个页面的大小相等。如此，就能够以页为单位对内存进行换入换出：

• 当程序运行时，只需要将必要的数据从磁盘读取到内存，暂时用不到的数据先留在磁盘中，什么时候用到什么时候读取。
• 当物理内存不足时，只需要将原来程序的部分数据写入磁盘，腾出足够的空间即可，不用把整个程序都写入磁盘。

页的大小由硬件决定，或硬件支持多种，由操作系统选择一种大小，只能选一种。

内存分页由操作系统决定管理。

5.Linux下c语言程序的内存布局

内核空间和用户空间

操作系统会默认将高地址的1G或2G空间分配给内核，剩下的内存空间是用户空间

Linux下32位环境的用户空间内存分布情况：

程序代码区：主要存放二进制代码。不可修改，有执行权限

常量区：存放一般的常量，有读取权限，没有修改权限。所以数据不能修改

全局数据区：存放全局变量，静态变量等，有读写权限

堆区：由程序员分配和释放，malloc(),calloc()等函数操作的内存

栈区：存放函数的参数，局部变量值

一个程序的代码区，常量区，全局数据区在程序加载到内存的时候就分配好了，大小固定。

函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。

常量区、全局数据区、栈上的内存由系统自动分配和释放，不能由程序员控制。程序员唯一能控制的内存区域就是堆（Heap）：它是一块巨大的内存空间，常常占据整个虚拟空间的绝大部分，在这片空间中，程序可以申请一块内存，并自由地使用（放入任何数据）。堆内存在程序主动释放之前会一直存在，不随函数的结束而失效。在函数内部产生的数据只要放到堆中，就可以在函数外部使用。

6.用户模式和内核模式

内核空间存放的是操作系统内核代码和数据，是被所有程序共享的，在程序中修改内核空间中的数据不仅会影响操作系统本身的稳定性，还会影响其他程序，这是非常危险的行为，所以操作系统禁止用户程序直接访问内核空间。

要想访问内核空间，必须借助操作系统提供的 API 函数，执行内核提供的代码，让内核自己来访问，这样才能保证内核空间的数据不会被随意修改，才能保证操作系统本身和其他程序的稳定性。

用户程序调用系统 API 函数称为系统调用（System Call）；发生系统调用时会暂停用户程序，转而执行内核代码（内核也是程序），访问内核空间，这称为内核模式（Kernel Mode）。

用户空间保存的是应用程序的代码和数据，是程序私有的，其他程序一般无法访问。当执行应用程序自己的代码时，称为用户模式（User Mode）。

7.栈的概念以及栈溢出

栈的概念：

栈内存由系统自动分配和释放：发生函数调用时就为函数运行时用到的数据分配内存，函数调用结束后就将之前分配的内存全部销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部。

在计算机中，栈可以理解为一个特殊的容器，用户可以将数据依次放入栈中，然后再将数据按照相反的顺序从栈中取出。也就是说，先放入的数据最后才能取出，而最后放入的数据必须先取出。这称为先进后出（First In Last Out）原则。

栈的大小以及栈溢出

对每个程序来说，栈能使用的内存是有限的，一般是1M~8M，在程序编译时已经决定，运行期间不能改变，如果程序使用的栈超出最大值，就会发生栈溢出错误。

一个程序可能包含多个线程，每个线程都有自己的栈，所以严格来说，最大值是针对线程来说的。

栈的大小是编译器决定的，我们可以通过对编译器设置来调整栈的大小。

栈溢出攻击原理

C语言不会对数组溢出做检测，数组溢出导致覆盖了函数返回地址的例子，我们将这样的错误称为“栈溢出错误”。

8.c语言动态内存分配

在进程的地址空间中，代码区、常量区、全局数据区的内存在程序启动时就已经分配好了，它们大小固定，不能由程序员分配和释放，只能等到程序运行结束由操作系统回收。这称为静态内存分配。