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Linux虚拟地址空间布局( 二 )

虚拟地址


该区域用于映射可执行文件用到的动态链接库 。在Linux 2.4版本中，若可执行文件依赖共享库，则系统会为这些动态库在从0x40000000开始的地址分配相应空间，并在程序装载时将其载入到该空间 。在Linux 2.6内核中，共享库的起始地址被往上移动至更靠近栈区的位置 。
从进程地址空间的布局可以看到，在有共享库的情况下，留给堆的可用空间还有两处：一处是从.bss段到0x40000000，约不到1GB的空间；另一处是从共享库到栈之间的空间，约不到2GB 。这两块空间大小取决于栈、共享库的大小和数量 。这样来看，是否应用程序可申请的最大堆空间只有2GB？事实上，这与Linux内核版本有关 。在上面给出的进程地址空间经典布局图中，共享库的装载地址为0x40000000，这实际上是Linux kernel 2.6版本之前的情况了，在2.6版本里，共享库的装载地址已经被挪到靠近栈的位置，即位于0xBFxxxxxx附近，因此，此时的堆范围就不会被共享库分割成2个“碎片”，故kernel 2.6的32位Linux系统中，malloc申请的最大内存理论值在2.9GB左右 。
4 堆(heap)堆用于存放进程运行时动态分配的内存段，可动态扩张或缩减 。堆中内容是匿名的，不能按名字直接访问，只能通过指针间接访问 。当进程调用malloc(C)/new(C++)等函数分配内存时，新分配的内存动态添加到堆上(扩张)；当调用free(C)/delete(C++)等函数释放内存时，被释放的内存从堆中剔除(缩减)。
分配的堆内存是经过字节对齐的空间，以适合原子操作 。堆管理器通过链表管理每个申请的内存，由于堆申请和释放是无序的，最终会产生内存碎片 。堆内存一般由应用程序分配释放，回收的内存可供重新使用 。若程序员不释放，程序结束时操作系统可能会自动回收 。
堆的末端由break指针标识，当堆管理器需要更多内存时，可通过系统调用brk()和sbrk()来移动break指针以扩张堆，一般由系统自动调用 。
使用堆时经常出现两种问题：1) 释放或改写仍在使用的内存(“内存破坏”)；2)未释放不再使用的内存(“内存泄漏”) 。当释放次数少于申请次数时，可能已造成内存泄漏 。泄漏的内存往往比忘记释放的数据结构更大，因为所分配的内存通常会圆整为下个大于申请数量的2的幂次(如申请212B，会圆整为256B) 。
注意，堆不同于数据结构中的”堆”，其行为类似链表 。
 
【扩展阅读】栈和堆的区别
①管理方式：栈由编译器自动管理；堆由程序员控制，使用方便，但易产生内存泄露 。
②生长方向：栈向低地址扩展(即”向下生长”)，是连续的内存区域；堆向高地址扩展(即”向上生长”)，是不连续的内存区域 。这是由于系统用链表来存储空闲内存地址，自然不连续，而链表从低地址向高地址遍历 。
③空间大小：栈顶地址和栈的最大容量由系统预先规定(通常默认2M或10M)；堆的大小则受限于计算机系统中有效的虚拟内存，32位Linux系统中堆内存可达2.9G空间 。
④存储内容：栈在函数调用时，首先压入主调函数中下条指令(函数调用语句的下条可执行语句)的地址，然后是函数实参，然后是被调函数的局部变量 。本次调用结束后，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指令地址，程序由该点继续运行下条可执行语句 。堆通常在头部用一个字节存放其大小，堆用于存储生存期与函数调用无关的数据，具体内容由程序员安排 。
⑤分配方式：栈可静态分配或动态分配 。静态分配由编译器完成，如局部变量的分配 。动态分配由alloca函数在栈上申请空间，用完后自动释放 。堆只能动态分配且手工释放 。
⑥分配效率：栈由计算机底层提供支持：分配专门的寄存器存放栈地址，压栈出栈由专门的指令执行，因此效率较高 。堆由函数库提供，机制复杂，效率比栈低得多 。Windows系统中VirtualAlloc可直接在进程地址空间中分配一块内存，快速且灵活 。
⑦分配后系统响应：只要栈剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则报告异常提示栈溢出 。
操作系统为堆维护一个记录空闲内存地址的链表 。当系统收到程序的内存分配申请时，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，并将该结点空间分配给程序 。若无足够大小的空间(可能由于内存碎片太多)，有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，以便有机会分到足够大小的内存，然后进行返回 。，大多数系统会在该内存空间首地址处记录本次分配的内存大小，供后续的释放函数(如free/delete)正确释放本内存空间 。


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