分析常见数据结构在内存中的存储形式

本文会在x64dbg中分析vector,list,map的内存存储特点

目录

分析vector在内存中的存储形式

x32dbg分析vector数组

总结一下vector的内存布局

分析 list 在内存中的存储形式

x32dbg分析 list 数组

总结一下 list 的内存布局

分析map在内存中的存储形式

x32dbg分析map

总结一下map的内存布局

vector list map的对比

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分析vector在内存中的存储形式

vector：C++里面的动态数组，通过一个连续的数组存放元素，如果集合已经满了，在新增数据的时候，就要分配一块更大的内存，将原来的数据复制过来，释放之前的内存，再插入新的元素。

测试代码

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	vector myVec;;
	myVec.push_back(1);
	myVec.push_back(2);
	myVec.push_back(3);
	myVec.push_back(4);
	myVec.push_back(5);
	myVec.push_back(6);
	myVec.push_back(7);
	return 0;
}

使用IDA加载符号文件，并导出map文件，map文件里面保存的是地址对应的函数或者变量名，然后将map文件导入到x64dbg

File--Produce File--Create map file  全部勾选

在x64dbg中导入map文件，使用插件SwissArmyKnife加载map文件

x32dbg分析vector数组

00EFF95C这个地址是vector的首地址

第一个函数是给是给vector分配内存空间并初始化，这里其实就标识了vector数组使用的内存空间是0x10个字节。

第二个函数就对应源码的vector数组初始化。这里将+0偏移的内存写入了一个地址，跟随地址里的内容就能发现实际上这个字段是一个指向自己的指针，有点类似string的结构，两个都是STL结构，那么有一个相同的字段也就说的通了。

对应的是  vector<int> myVec;

压入七个元素后，查看vector的内存：

第一个地址存储一个地址，这个地址存储的值是00EFF95C，这是个指针

第二个地址存储一个地址，指向vector数组的首个元素地址

第三个地址存储一个地址，执行vector数组最后一个元素的下一个地址

最后一个地址存储一个地址，指向的是整个vector缓冲区的结束地址

观察存储数据的空间

而 +8 指向的是 CDCDCD ， +0x10 指向的是 0xFDFDFDFD ， CD 是堆空间刚刚开辟出来的时候的一个默认 值，这一块区域其实也是vector 提前申请好的堆空间，只不过还没有使用。

在复制的过程中，vector会根据需要的空间大小去动态的申请内存，把原来的数据拷贝一份，释放掉之前的内存。

总结一下vector的内存布局

如果我们想计算出动态数组的长度，只需要用第三个地址减去第二个地址，然后除以元素的大小，就能 算出元素的个数了。

template
struct my_vector
{
    my_vector* self; // 指向自己的指针
    T* fisrt; // 指向数据的首地址
    T* last; // 最后一个元素的下一个位置(数据结束地址)
    T* end; // 指向缓冲区的结尾
};

分析 list 在内存中的存储形式

C++ 里的 list ，是一个双向链表，链表这种数据结构的优点在于插入数据和删除数据快，但是查找数据慢，list 和 vector 的优缺点其实是互补的。测试代码

#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
printf("hello guishou");
list myList;
myList.push_back(1);
myList.push_back(2);
myList.push_back(3);
myList.push_back(4);
myList.push_back(5);
myList.push_back(6);
myList.push_back(7);
return 0;
}

x32dbg分析 list 数组

第一个是初始化函数，给List数据结构分配内存空间，并初始化。这里我们可以看出list这个数据结构实 际上是占了0xC个字节

第二个构造函数执行完成之后，前两个地址就已经被赋值了

存入所有数据

Listd对象

1. 第一个地址存储一个指针指向自己
2. 第二地址指向链表头
3. 第三个地址存储链表由几个节点

链表头

第一个头节点，第二个尾节点

压入所有元素

List对象

链表头

节点一

第一个地址指向下一个地址

第二个地址指向上一个地址

顺着链表头第一个地址走下去会重新返回来

总结一下 list 的内存布局

template 
struct my_list
{
    my_list* self; // 指向自己的指针
    my_list_node* header; // 指向头节点，头节点不存储数据
    int size; // 元素个数
};
template 
struct my_list_node
{
    my_list_node* next; // 下一个节点
    my_list_node* prev; // 上一个节点
    T data; // 数据域
};

分析map在内存中的存储形式

C++map的实现是红黑树， 红黑树是一种自平衡二叉查找树，这种数据结构是在进行插入和删除的时候 进行特定的操作来保持二叉查找树的平衡，从而获得较高的查找性能。

map存储数据是以键值对的方式进行存储的： key-value

优点：查找数据效率高

缺点：插入数据效率低

如上图，如果你把这一堆的数据插入到 map 容器中，不管你使用的是什么插入顺序，最后的树结构都是 这样。这样做的好处在于，把所有的元素维持了一个有顺序的树的结构，查找效率高。

比如我想要找 40 ，先和 50 比较，比 50 小，那么就来左边，比 35 大，那么就来 35 的右边，然后比 45 小， 来到45 的右边。这样的话，我只需要查找三次就能找到我要的数据，但是如果换成了链表和数组，那么就要一个一个去遍历对比。这就是红黑树的绝对优势。

测试代码

#include 
#include 

x32dbg分析map

第一个函数初始化，这里可以确定map这个数据结构是0xC个字节

第二个函数

map对象，第一个地址是指针，指向自己；第二个地址指向头节点；第三个存储元素个数；

头节点

010BEFA8是1号左子节点，010BA0E0是父节点，010C2C88是右子节点

其中 CDCD0101 表示的是整个二叉树的头节点

节点

+00 左节点
+04 父节点
+08 右节点
+0xC 标志->是否是叶子节点 是否是头节点
+0x10 key
+0x14 value

总结一下map的内存布局

map对象：

+00 指针，指向自己

+04 头节点

+08 元素个数

头节点：

+00 左节点

+04 父节点

+08 右节点

+0C CDCD0101表示头节点  CDCD0001 表示子节点

+10 key

+14 value

节点：

+00 左节点
+04 父节点
+08 右节点
+0xC 标志->是否是叶子节点 是否是头节点
+0x10 key
+0x14 value

vector list map的对比

vector对于随机访问的速度很快，但是对于插入元素的速度很慢，他需要拷贝和移动整个数据。vector适合高效存取，如果你不在乎插入和删除的效率的话可以使用。

list 对于随机访问速度很慢，因为他需要遍历整个链表，但是对于插入和删除速度快，只需要改变指针的指向就可以了。list适合频繁插入和删除，很少查找的场景

map查找速度最快，即使数据量到了百万级也是毫秒级别的，但是他的查找性能是以插入数据时维护底层红黑树作为代价的——即插入数据比较耗时。大量数据插入的场景是不适合map的，性能非常低，比vector和list慢几倍甚至十几倍。map适合偶尔插入一条数据并且很少clear，又频繁查找的场景。比如说大量数据去重 用vector和list都要遍历，而map则不需要