内存

可能你已经看过了很多关于内存的文章或是资源，但大多数在回答了两个问题：是什么？怎么用？那问题来了，内存布局结构怎么一点点变成现在这样子的呢（Stack、Heap、Bss、Data、Text）？这篇文章试图用推理来回答这个问题。

第一个程序

时光回到刚刚有汇编的时候，还没有操作系统，也没有ELF格式（程序的存储文件格式），只有一个简单的裸机程序，并且就只有几条的指令。假设如下：

mov ax, 0123H
mov bx, 0456H
add ax, bx

这是一段简单的汇编代码：做加法运算，会被翻译成类似010101 CPU能识别的指令。一条指令会占用特定的字节数。然后，这段程序会被加载到裸机上去运行，在然后，顺序的执行指令上面的1、2、3条指令就结束了。没有内存的栈区，也没有堆区，只有最核心的代码指令部分，很简单，是吧。也就是最初的这点代码，构成了ELF格式中最最最核心的部分-代码段.text。

数据段：所有代码共享

上面这段代码还有些问题，如果我想保存点数据（计算结果），并且让上面代码段中的所有指令都可以去共享，怎么办？新划一块地方专门放这些数据吧。这就有了我们的数据段.data，用来存放的全局变量，这些变量可以被所有代码指令共享；你可能还听过一个叫.bss段，用来存放未初始化的全局变量，这个算优化项，它还有个合适的别名：better save space，对，看名字就知道是用来节省空间的，你都没有初始化的值，我ELF文件也就不用去额外的去保存这部分数据了吧。那为啥全局变量初始化0也会被放到这里呢？你都给0了相当于啥也没给，初始化赋值为0这事，还是交给后面的小伙加载器Loader去做吧，还能腾出来一点空间，毕竟那些年内存、存储可是稀缺资源，又小又金贵。至此，我们有了代码段.text、初始化的数据段.data、未初始化的数据段.bss。

栈区：部分代码块共享

上面程序未必太过于简单了，的确。不过话说回来，整个计算机体系就是构建一层层的抽象和封装上。这时，我们就可以对一些完成了特定功能的代码块指令进行封装，便于复用。问题来了，我这段代码块完成特定功能，但需要提供一些固定大小的内存区域让我去操作并保存数据，怎么办？同样也给你划分一块区域，让你去存放这些数据，需要多少空间你就无脑的循序往后排，用标记记录下位置；当代码块执行完了，你也不用管你刚刚用过的地方，还是用个标记记录回退后的位置就可以了。整个用于这这就是函数执行时，每个函数共享的内存区域 - 函数栈stack，以及函数代码块执行时，每个函数共享数据块的入栈和出栈。

堆：实际使用的时候才知道需要多少内存

程序在运行的过程中，有另一种不确定会使用多少内存的场景：

• 用户输入的内容不知道会有多长
• 读取文件的内容不知道会有多长
• 网络传输的内容不知道会有多长
• ...

所以进程需要一块内存，用来去处理存放这些不确定的内容，这块内存就是堆区heap。堆区的内存是动态分配的，也就是说，你需要多少内存，就给你多少内存，不需要的时候，就还给操作系统。Linux操作系统提供了两个函数 brk 和 mmap去分配内存。由于调用系统的函数是有一定成本的，glibc 对这两个函数进行了封装，提供了 malloc 和 free 函数，用来管理堆区的内存，内部实现就是调用 brk 和 mmap 函数；当需要分配的内存大小小于MMAP_THRESHOLD（默认128k）时，malloc 内部会调用 brk 去调整空间；当大于MMAP_THRESHOLD时，malloc 会去调用 mmap 分配一块匿名的空间去使用；并做了缓存机制，这样做的好处是，减少了系统调用的次数。 另外一个问题，也不确定这些内存块的生命周期是多长，基于这个原因，我们需要一个机制去管理这些内存块，这个机制就是malloc和free，这两个函数就是用来管理堆区的内存块的。最早期的时候，是由程序员来去管理；后来，操作系统也提供了一些机制，比如说：GC，GC就是垃圾回收机制，它会去检测哪些内存块没有被使用了，然后自动释放掉，这样就不用程序员去管理了。

非main线程stack内存

不同的操作系统，线程的实现方式有区别，这里拿 Linux 举例来讲，Linux 的线程是后面加入进去的，意思是说：在 Linux 出现很长一段时间内，是没有线程这个概念，然后看别的操作系统实现了，还挺好用，然后也去实现。可能在学习 Unix/Linux 的过程中，很多部分都会去强调进程通信；但线程出现后，进程通信的这部分被线程替代了：有些用独立进程去做的，现在可以用线程去做了，也会少用到一些进程通信的方式。另外一个原因是，基础的进程通信会过于简单，解决不了一些复杂场景的问题，就会诞生很多框架，对基础的进程通信进行包装，比如 DBus。 回到线程这个话题，如果系统没有线程，那如何去实现？CPU 调度的是进程，在Linux内核代码里面是一个task_struct的结构体。进程创建调用的是 fork 函数，fork 函数内部会调用 clone 函数；而线程的创建pthread_create 函数最终调用的也是 clone 函数，不同于线程创建时，clone 会带很多 Flags 标记(NPTL实现使用的 Flags：CLONE_VM | CLONE_FILES | CLONE_FS | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD | CLONE_SETTLS | CLONE_PARENT_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | CLONE_SYSVSEM)，去和当前进程去共享很多资源，内存是通过CLONE_VM去共享的。

线程需要有自己独立的栈空间，这块空间被划到了堆上，会去调用 mmap 分配一块匿名的空间去使用，动态库，线程栈都在这里。如图

在栈上分配内存alloca

alloca 函数是在栈上分配内存，它的实现原理是：在栈上分配一块内存，然后返回这块内存的地址，这块内存的生命周期是和函数的生命周期一样的，函数返回后，这块内存就会被释放掉，省去了内存管理的心智负担。但是，这个函数不是标准 C 语言的函数，而是 GNU C 语言的函数。在 C 语言标准里面，是没有这个函数的，所以，如果你的代码要跨平台，就不要用这个函数了。

全局变量的改进：线程独享

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