linux程序设计:堆和栈的区别

linux程序设计:堆和栈的区别,第1张

一、预备知识—程序的内存分配

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其

*** 作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区(heap) — 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回

收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表,呵呵。

3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的

全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另

一块区域。 - 程序结束后由系统释放。

4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

二、例子程序

这是一个前辈写的,非常详细

//main.cpp

int a = 0 全局初始化区

char *p1 全局未初始化区

main()

{

int b 栈

char s[] = "abc" 栈

char *p2 栈

char *p3 = "123456" 123456/0在常量区,p3在栈上。

static int c =0; 全局(静态)初始化区

p1 = (char *)malloc(10)

p2 = (char *)malloc(20)

分配得来得10和20字节的区域就在堆区。

strcpy(p1, "123456") 123456/0放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"

优化成一个地方。

}

二、堆和栈的理论知识

2.1申请方式

stack:

由系统自动分配。 例如,声明在函数中一个局部变量 int b 系统自动在栈中为b开辟空

heap:

需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数

如p1 = (char *)malloc(10)

在C++中用new运算符

如p2 = new char[10]

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.2

申请后系统的响应

栈:只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢

出。

堆:首先应该知道 *** 作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,

会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后将该结点从空闲结点链表

中删除,并将该结点的空间分配给程序,另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的

首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。

另外,由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动的将多余的那部

分重新放入空闲链表中。

2.3申请大小的限制

栈:在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域。这句话的意

思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在WINDOWS下,栈的大小是2M(也有

的说是1M,总之是一个编译时就确定的常数),如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将

提示overflow。因此,能从栈获得的空间较小。

堆:堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储

的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小

受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。

2.4申请效率的比较:

栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。

堆是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈是

直接在进程的地址空间中保留一块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。

2.5堆和栈中的存储内容

栈: 在函数调用时,第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可

执行语句)的地址,然后是函数的各个参数,在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈

的,然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

当本次函数调用结束后,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存的地

址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行。

堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。

2.6存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的;

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;

但是,在以后的存取中,在栈上的数组比指针所指向的字符串(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

}

对应的汇编代码

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

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指针值读到

edx中,再根据edx读取字符,显然慢了。

2.7小结:

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:

使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就 走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自 由度小。

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由

内核栈、用户栈

32位Linux系统上,进程的地址空间为4G,包括1G的内核地址空间-----内核栈,和3G的用户地址空间-----用户栈。

内核栈,是各个进程在刚开始建立的时候通过内存映射共享的,但是每个进程拥有独立的4G的虚拟内存空间从这一点看又是独立的,互不干扰的(只是刚开始大家都是映射的同一份内存拷贝)

用户栈就是大家所熟悉的内存四区,包括:代码区、全局数据区、堆区、栈区

用户栈中的堆区、栈区即为进程堆、进程栈

进程堆、进程栈与线程栈

1.线程栈的空间开辟在所属进程的堆区与共享内存区之间,线程与其所属的进程共享进程的用户空间,所以线程栈之间可以互访。线程栈的起始地址和大小存放在pthread_attr_t 中,栈的大小并不是用来判断栈是否越界,而是用来初始化避免栈溢出的缓冲区的大小(或者说安全间隙的大小)

2.进程初始化的时候,系统会在进程的地址空间中创建一个堆,叫进程默认堆。进程中所有的线程共用这一个堆。当然,可以增加1个或几个堆,给不同的线程共同使用或单独使用。----一个进程可以多个堆

3、创建线程的时候,系统会在进程的地址空间中分配1块内存给线程栈,通常是1MB或4MB或8MB。线程栈是独立的,但是还是可以互访,因为线程共享内存空间

4.堆的分配:从 *** 作系统角度来看,进程分配内存有两种方式,分别由两个系统调用完成:brk()和mmap(),glibc中malloc封装了

5.线程栈位置-内存分布测试代码

[cpp] view plain copy

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <malloc.h>

#include <sys/syscall.h>

void* func(void* arg)

{

long int tid = (long int)syscall(SYS_gettid)

printf("The ID of this thread is: %ld\n", tid )

static int a=10

int b=11

int* c=(int *)malloc(sizeof(int))

printf("in thread id:%u a:%p b:%p c:%p\n",tid,&a,&b,c)

printf("leave thread id:%ld\n",tid)

sleep(20)

free((void *)c)

}

void main()

{

pthread_t th1,th2

printf("pid=%u\n",(int)getpid())

func(NULL)

int ret=pthread_create(&th1,NULL,func,NULL)

if(ret!=0)

{

printf("thread1[%d]:%s\n",th1,strerror(errno))

}

ret=pthread_create(&th2,NULL,func,NULL)

if(ret!=0)

{

printf("thread2[%d]:%s\n",th2,strerror(errno))

}

pthread_join(th1,NULL)

pthread_join(th2,NULL)

}

输出:

[le@localhost threadStack]$ ./threadStack_main pid=16433

The ID of this thread is: 16433

in thread id:16433 a:0x60107c b:0x7fffc89ce7ac c:0x1b54010

leave thread id:16433

The ID of this thread is: 16461

The ID of this thread is: 16460

in thread id:16461 a:0x60107c b:0x7f6abb096efc c:0x7f6ab40008c0

leave thread id:16461

in thread id:16460 a:0x60107c b:0x7f6abb897efc c:0x7f6aac0008c0

leave thread id:16460

主线程调用func后

[le@localhost threadStack]$ sudo cat /proc/16433/maps

00400000-00401000 r-xp 00000000 fd:02 11666 /home/le/code/threadStack/threadStack_main

00600000-00601000 r--p 00000000 fd:02 11666 /home/le/code/threadStack/threadStack_main

00601000-00602000 rw-p 00001000 fd:02 11666 /home/le/code/threadStack/threadStack_main

01b54000-01b75000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]

7f6abb899000-7f6abba4f000 r-xp 00000000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abba4f000-7f6abbc4f000 ---p 001b6000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abbc4f000-7f6abbc53000 r--p 001b6000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abbc53000-7f6abbc55000 rw-p 001ba000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abbc55000-7f6abbc5a000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abbc5a000-7f6abbc70000 r-xp 00000000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbc70000-7f6abbe70000 ---p 00016000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbe70000-7f6abbe71000 r--p 00016000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbe71000-7f6abbe72000 rw-p 00017000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbe72000-7f6abbe76000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abbe76000-7f6abbe97000 r-xp 00000000 fd:00 105796545 /usr/lib64/ld-2.17.so

7f6abc073000-7f6abc076000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abc095000-7f6abc097000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abc097000-7f6abc098000 r--p 00021000 fd:00 105796545 /usr/lib64/ld-2.17.so

7f6abc098000-7f6abc099000 rw-p 00022000 fd:00 105796545 /usr/lib64/ld-2.17.so

7f6abc099000-7f6abc09a000 rw-p 00000000 00:00 0

7fffc89b0000-7fffc89d1000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]

7fffc89fe000-7fffc8a00000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]

ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]

两个子线程启动后

[le@localhost threadStack]$ sudo cat /proc/16433/maps

00400000-00401000 r-xp 00000000 fd:02 11666 /home/le/code/threadStack/threadStack_main

00600000-00601000 r--p 00000000 fd:02 11666 /home/le/code/threadStack/threadStack_main

00601000-00602000 rw-p 00001000 fd:02 11666 /home/le/code/threadStack/threadStack_main

01b54000-01b75000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]

7f6aac000000-7f6aac021000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6aac021000-7f6ab0000000 ---p 00000000 00:00 0

7f6ab4000000-7f6ab4021000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6ab4021000-7f6ab8000000 ---p 00000000 00:00 0

7f6aba897000-7f6aba898000 ---p 00000000 00:00 0

7f6aba898000-7f6abb098000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack:16461]

7f6abb098000-7f6abb099000 ---p 00000000 00:00 0

7f6abb099000-7f6abb899000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack:16460]

7f6abb899000-7f6abba4f000 r-xp 00000000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abba4f000-7f6abbc4f000 ---p 001b6000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abbc4f000-7f6abbc53000 r--p 001b6000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abbc53000-7f6abbc55000 rw-p 001ba000 fd:00 100678959 /usr/lib64/libc-2.17.so

7f6abbc55000-7f6abbc5a000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abbc5a000-7f6abbc70000 r-xp 00000000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbc70000-7f6abbe70000 ---p 00016000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbe70000-7f6abbe71000 r--p 00016000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbe71000-7f6abbe72000 rw-p 00017000 fd:00 105796566 /usr/lib64/libpthread-2.17.so

7f6abbe72000-7f6abbe76000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abbe76000-7f6abbe97000 r-xp 00000000 fd:00 105796545 /usr/lib64/ld-2.17.so

7f6abc073000-7f6abc076000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abc095000-7f6abc097000 rw-p 00000000 00:00 0

7f6abc097000-7f6abc098000 r--p 00021000 fd:00 105796545 /usr/lib64/ld-2.17.so

7f6abc098000-7f6abc099000 rw-p 00022000 fd:00 105796545 /usr/lib64/ld-2.17.so

7f6abc099000-7f6abc09a000 rw-p 00000000 00:00 0

7fffc89b0000-7fffc89d1000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]

7fffc89fe000-7fffc8a00000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]

ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]

您好,很高兴为您解答。

1.进程的堆栈

  内核在创建进程的时候,在创建task_struct的同事,会为进程创建相应的堆栈。每个进程会有两个栈,一个用户栈,存在于用户空间,一个内核栈,存在于内核空间。当进程在用户空间运行时,cpu堆栈指针寄存器里面的内容是用户堆栈地址,使用用户栈;当进程在内核空间时,cpu堆栈指针寄存器里面的内容是内核栈空间地址,使用内核栈。

2.进程用户栈和内核栈的切换

  当进程因为中断或者系统调用而陷入内核态之行时,进程所使用的堆栈也要从用户栈转到内核栈。

  进程陷入内核态后,先把用户态堆栈的地址保存在内核栈之中,然后设置堆栈指针寄存器的内容为内核栈的地址,这样就完成了用户栈向内核栈的转换;当进程从内核态恢复到用户态之行时,在内核态之行的最后将保存在内核栈里面的用户栈的地址恢复到堆栈指针寄存器即可。这样就实现了内核栈和用户栈的互转。

  那么,我们知道从内核转到用户态时用户栈的地址是在陷入内核的时候保存在内核栈里面的,但是在陷入内核的时候,我们是如何知道内核栈的地址的呢?

  关键在进程从用户态转到内核态的时候,进程的内核栈总是空的。这是因为,当进程在用户态运行时,使用的是用户栈,当进程陷入到内核态时,内核栈保存进程在内核态运行的相关信心,但是一旦进程返回到用户态后,内核栈中保存的信息无效,会全部恢复,因此每次进程从用户态陷入内核的时候得到的内核栈都是空的。所以在进程陷入内核的时候,直接把内核栈的栈顶地址给堆栈指针寄存器就可以了。

3.内核栈的实现

      内核栈在kernel-2.4和kernel-2.6里面的实现方式是不一样的。

在kernel-2.4内核里面,内核栈的实现是:

 Union task_union {

                  Struct task_struct task

                  Unsigned long stack[INIT_STACK_SIZE/sizeof(long)]

 }

其中,INIT_STACK_SIZE的大小只能是8K。

  内核为每个进程分配task_struct结构体的时候,实际上分配两个连续的物理页面,底部用作task_struct结构体,结构上面的用作堆栈。使用current()宏能够访问当前正在运行的进程描述符。

注意:这个时候task_struct结构是在内核栈里面的,内核栈的实际能用大小大概有7K。

内核栈在kernel-2.6里面的实现是(kernel-2.6.32):

Union thread_union {

                  Struct thread_info thread_info;

                  Unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)]

 }

其中THREAD_SIZE的大小可以是4K,也可以是8K,thread_info占52bytes。

  当内核栈为8K时,Thread_info在这块内存的起始地址,内核栈从堆栈末端向下增长。所以此时,kernel-2.6中的current宏是需要更改的。要通过thread_info结构体中的task_struct域来获得于thread_info相关联的task。更详细的参考相应的current宏的实现。

 struct thread_info {

                  struct task_struct *task;

                  struct exec_domain *exec_domain;

                  __u32 flags;

        __u32 status

                  __u32 cpu

                  …  ..

 }

注意:此时的task_struct结构体已经不在内核栈空间里面了。

如若满意,请点击右侧【采纳答案】,如若还有问题,请点击【追问】

希望我的回答对您有所帮助,望采纳!

                                                                                                                            ~ O(∩_∩)O~


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