記憶體模型圖（4G）
記憶體模型圖（4G）
整體簡單說明
32位CPU可定址4G線性空間，每個程序都有各自獨立的4G邏輯地址，其中 03G是使用者空間*，*34G是核心空間即3G使用者空間和1G核心空間，不同程序相同的邏輯地址會對映到不同的實體地址中。
各段詳細說明
靜態區域：
text segment(程式碼段):包括只讀儲存區和文字區，其中只讀儲存區儲存字串常量，文字區儲存程式的機器程式碼。
data segment(資料段)：儲存程式中已初始化的全域性變數和靜態變數
bss segment(BSS段)：儲存未初始化的全域性變數和靜態變數（區域性+全域性），以及所有被初始化為0的全域性變數和靜態變數，對於未初始化的全域性變數和靜態變數，程式執行main之前時會統一清零。即未初始化的全域性變數編譯器會初始化為0
動態區域：
heap（堆區）： 當程序未呼叫malloc時是沒有堆段的，只有呼叫malloc時採用分配一個堆，並且在程式執行過程中可以動態增加堆大小(移動break指標)，從低地址向高地址增長。分配小記憶體時使用該區域。 堆的起始地址由mm_struct 結構體中的start_brk標識，結束地址由brk標識。
memory mapping segment(對映區):儲存動態連結庫等檔案對映、申請大記憶體（malloc時呼叫mmap函式）
stack（棧區）：使用棧空間儲存函式的返回地址、引數、區域性變數、返回值，從高地址向低地址增長。在建立程序時會有一個最大棧大小，Linux可以通過ulimit命令指定。
記憶體四區
一個由C/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分：
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棧區(stack)：就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清除的變數的儲存區。裡面的變數通常是函式的返回地址、引數、區域性變數、返回值等，從高地址向低地址增長。在一個程序中，位於使用者虛擬地址空間頂部的是使用者棧，編譯器用它來實現函式的呼叫。其操作方式類似於資料結構中的棧。
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堆區(heap)： 一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列，在程式執行過程中可以動態增加堆大小(移動break指標)，從低地址向高地址增長。
堆：是作業系統所維護的一塊特殊記憶體，它提供了動態分配的功能，當執行程式呼叫malloc()時就會從中分配，稍後呼叫free()可把記憶體交還。
自由儲存區：自由儲存是C++中通過new和delete動態分配和釋放物件的抽象概念，通過new來申請的記憶體區域可稱為自由儲存區。基本上，所有的C++編譯器預設使用堆來實現自由儲存，也即是預設的全域性運算子new和delete也許會按照malloc和free的方式來被實現，這時藉由new運算子分配的物件，說它在堆上也對，說它在自由儲存區上也正確。但程式設計師也可以通過過載操作符，改用其他記憶體來實現自由儲存，例如全域性變數做的物件池，這時自由儲存區和堆區就有區別了。
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資料區：主要包括靜態全域性區和靜態區，如果要站在彙編角度細分的話還可以分為很多小的區。
全域性區&靜態區：全域性變數和靜態變數被分配到同一塊記憶體中，在以前的 C 語言中，全域性變數和靜態變數又分為
全域性初始化區(DATA段) ：儲存程式中已初始化的全域性變數和靜態變數
未初始化段(BSS段) ：儲存未初始化的全域性變數和靜態變數（區域性+全域性）。BSS段在DATA段的相鄰的 另一塊區域。BBS段特點：在程式執行前BBS段自動清零，所以未初始化的全域性變數和靜態變數在程式執行前已經成為0。
在 C++ 裡面沒有這個區分了，它們共同佔用同一塊記憶體區。
- 程式碼區：包括只讀儲存區和文字區，其中只讀儲存區儲存字串常量，就是常量區，文字區儲存程式的機器程式碼。
明確區分堆與棧
在 BBS 上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。
首先，我們舉一個例子：
void f() { int* p=new int[5]; }
這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到 new，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆記憶體，那麼指標 p 呢？他分配的是一塊棧記憶體，所以這句話的意思就是：在棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指標 p。在程式會先確定在堆中分配記憶體的大小，然後呼叫 operator new 分配記憶體，然後返回這塊記憶體的首地址，放入棧中，他在 VC6 下的彙編程式碼如下：
00401028push 14h
0040102Acall operator new (00401060)
0040102Fadd esp,4
00401032mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038mov dword ptr [ebp-4],eax
這裡，我們為了簡單並沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？
是 delete p 麼？噢，錯了，應該是 delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6 就會根據相應的 Cookie 資訊去進行釋放記憶體的工作。
堆和棧的區別
好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？主要的區別由以下幾點：
- 管理方式不同；
- 空間大小不同；
- 能否產生碎片不同；
- 生長方向不同；
- 分配方式不同；
- 分配效率不同；
管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程式設計師控制，容易產生memory leak。
空間大小：一般來講在 32 位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：開啟工程，依次操作選單如下：Project->Setting->Link，在 Category 中選中 Output，然後在 Reserve 中設定堆疊的最大值和 commit。注意：reserve 最小值為 4Byte；commit 是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開闢較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。
碎片問題：對於堆來講，頻繁的 new/delete 勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進後出的佇列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考資料結構，這裡我們就不再一一討論了。
生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體地址減小的方向增長。
分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如區域性變數的分配。動態分配由 malloc 函式進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。
分配效率：棧是機器系統提供的資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：分配專門的暫存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是 C/C++ 函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演算法可以參考資料結構/作業系統）在堆記憶體中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就有機會分到足夠大小的記憶體，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。
從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量 new/delete 的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於可能引發使用者態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函式的呼叫也利用棧去完成，函式呼叫過程中的引數，返回地址，EBP 和區域性變數都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。
雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，還是用堆好一些。
無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程式執行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候 debug 可是相當困難的）
對了，還有一件事，如果有人把堆疊合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？
static 用來控制變數的儲存方式和可見性
函式內部定義的變數，在程式執行到它的定義處時，編譯器為它在棧上分配空間，函式在棧上分配的空間在此函式執行結束時會釋放掉，這樣就產生了一個問題: 如果想將函式中此變數的值儲存至下一次呼叫時，如何實現？ 最容易想到的方法是定義一個全域性的變數，但定義為一個全域性變數有許多缺點，最明顯的缺點是破壞了此變數的訪問範圍（使得在此函式中定義的變數，不僅僅受此函式控制）。需要一個數據物件為整個類而非某個物件服務，同時又力求不破壞類的封裝性，即要求此成員隱藏在類的內部，對外不可見。
static 的內部機制：
靜態資料成員要在程式一開始執行時就必須存在。因為函式在程式執行中被呼叫，所以靜態資料成員不能在任何函式內分配空間和初始化。這樣，它的空間分配有三個可能的地方，一是作為類的外部介面的標頭檔案，那裡有類宣告；二是類定義的內部實現，那裡有類的成員函式定義；三是應用程式的 main(）函式前的全域性資料宣告和定義處。
靜態資料成員要實際地分配空間，故不能在類的宣告中定義（只能宣告資料成員）。類宣告只宣告一個類的“尺寸和規格”，並不進行實際的記憶體分配，所以在類宣告中寫成定義是錯誤的。它也不能在標頭檔案中類宣告的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的原始檔中，對其重複定義。
static 被引入以告知編譯器，將變數儲存在程式的靜態儲存區而非棧上空間，靜態資料成員按定義出現的先後順序依次初始化，注意靜態成員巢狀時，要保證所巢狀的成員已經初始化了。消除時的順序是初始化的反順序。
static 的優勢：
可以節省記憶體，因為它是所有物件所公有的，因此，對多個物件來說，靜態資料成員只儲存一處，供所有物件共用。靜態資料成員的值對每個物件都是一樣，但它的值是可以更新的。只要對靜態資料成員的值更新一次，保證所有物件存取更新後的相同的值，這樣可以提高時間效率。引用靜態資料成員時，採用如下格式：
<類名>::<靜態成員名>
如果靜態資料成員的訪問許可權允許的話(即 public 的成員)，可在程式中，按上述格式來引用靜態資料成員。
Ps：
(1) 類的靜態成員函式是屬於整個類而非類的物件，所以它沒有this指標，這就導致了它僅能訪問類的靜態資料和靜態成員函式。
(2) 不能將靜態成員函式定義為虛擬函式。
(3) 由於靜態成員聲明於類中，操作於其外，所以對其取地址操作，就多少有些特殊，變數地址是指向其資料型別的指標，函式地址型別是一個“nonmember 函式指標”。
(4) 由於靜態成員函式沒有 this 指標，所以就差不多等同於 nonmember 函式，結果就產生了一個意想不到的好處：成為一個 callback 函式，使得我們得以將 c++ 和 c-based x window 系統結合，同時也成功的應用於執行緒函式身上。
(5) static 並沒有增加程式的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態成員的訪問時間，節省了子類的記憶體空間。
(6) 靜態資料成員在<定義或說明>時前面加關鍵字 static。
(7) 靜態資料成員是靜態儲存的，所以必須對它進行初始化。
(8) 靜態成員初始化與一般資料成員初始化不同：
初始化在類體外進行，而前面不加 static，以免與一般靜態變數或物件相混淆；
初始化時不加該成員的訪問許可權控制符 private、public；
初始化時使用作用域運算子來標明它所屬類；
所以我們得出靜態資料成員初始化的格式：
<資料型別><類名>::<靜態資料成員名>=<值>
(9) 為了防止父類的影響，可以在子類定義一個與父類相同的靜態變數，以遮蔽父類的影響。
注意：我們說靜態成員為父類和子類共享，但我們有重複定義了靜態成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器採用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的標誌。
函式呼叫模型
變數三要素是：名稱、大小、作用域。那麼變數的生命週期是多長呢？
編譯器是如何管理每個函式間變數的生命週期呢？
要研究變數的生命週期，而變數一般又是在函式中定義分配空間的。
因此下面研究一下變數作為函式引數和返回值傳遞分析,下面我們具體總結一下，各個函式的變數的生命週期
main裡面的變數分配記憶體，函式fa(),函式fb()中的變數分配的記憶體空間它們的生命週期都是多長呢？
開始已經說明了記憶體主要分為四區，因此每個函式中變數在堆疊的生命週期是不同的，同時在函式呼叫的時候，先執行的函式最後才執行完畢
char*fa()
{
char*pa = "123456";//pa指標在棧區，“123456”在常量區，該函式呼叫完後指標變數pa就被釋放了
char*p = NULL; //指標變數p在棧中分配4位元組
p=(char*)malloc(100);//本函式在這裡開闢了一塊堆區的記憶體空間，並把地址賦值給p
strcpy(p, "wudunxiong 1234566");//把常量區的字串拷貝到堆區
return p;//返回給主調函式fb()，相對fa來說fb是主調函式，相對main來說，fa(),fb()都是被呼叫函式
}
char*fb()
{
char*pstr = NULL;
pstr = fa();
return pstr;//指標變數pstr在這就結束
}
void main()
{
char*str = NULL;
str = fb();
printf("str = %s\n",str);
free(str); //防止記憶體洩露，被調函式fa()分配的記憶體存的值通過返回值傳給主調函式，然後主調函式釋放記憶體
str = NULL;//防止產生野指標
system("pause");
}
函式呼叫總結：
- 主調函式分配的記憶體空間（堆，棧，全域性區）可以在被呼叫函式中使用，可以以指標作函式引數的形式來使用
- 被呼叫函式分配的記憶體空間只有堆區和全域性區可以在主調函式中使用（返回值和函式引數），而棧區卻不行，因為棧區函式體執行完之後這個函式佔用的記憶體編譯器自動幫你釋放了。
- 一定要明白函式的主被調關係以及主被調函式記憶體分配回收，也就是後面接下幾篇總結的函式的輸入輸出記憶體模型