内存管理、系统内存分区和C++内存分区简述

目录

1、为什么需要管理内存呢？

2、何为内存管理？

3、基础知识介绍

4、C++中内存分区

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1、为什么需要管理内存呢？

电脑的内存资源有限，系统中运行的进程是无限的，所以说，电脑不能运行太多的进程，如果运行进程数量过多，则会出现电脑运行性能降低，甚至由于资源有限，新的进程不能正常运行。

2、何为内存管理？

内存管理就是系统管理每个运行进程之间的内存空间相互独立，可以正常地运行。

每个进程的空间地址分配机制都是已有的，每个进程在内核态和用户态各自有一个堆栈，当进程运行在用户态时，进程使用的时用户态的空间；当运行在在内核态时，使用的时内核态空间。

a:什么是内核态？什么是用户态？

简单的来说，内核态操作权限高，用户态的操作权限低。内核态可以直接操作系统系统的所有资源，比如操作各种硬件设备。用户态可以通过系统的API函数来进行操作硬件设备和内存。用户态和内核态的机制提供了操作系统的稳定性和可用性。

b:系统怎们管理内存？

系统通过虚拟内存_百度百科 (baidu.com)技术来管理内存，虚拟内存的工作原理、调度方法可参考百度百科介绍。虚拟内存机制相当于内存管家，主要做的事情有：（1）给每个进程分配独立的虚拟空间，每个进程间的内存地址互不影响。（2）实现虚拟空间地址到实际硬件物理地址的映射机制。（3）引入缺页异常机制实现内存的惰性分配。（4）进入swap机制，把不活跃的数据换到磁盘上。

虚拟地址和物理的映射关系由页表反应，页表相当于一张地图，内存管理单元收到CPU的虚拟地址后，通过查询页表可以确定对应的物理地址。关于具体介绍可参考40 张图解 ｜ Linux 内存背后的那些神秘往事

有一篇介绍内存管理很好的文章见：真棒！ 20 张图揭开内存管理的迷雾，瞬间豁然开朗

虚拟地址和物理地址形象的对应关系如下图所示：

虚拟地址到物理地址的映射挂关系只是内存管理单元MMU其中的一个的功能，它还有内存保护、中央处理器高速缓存的控制等功能。

3、基础知识介绍

系统中内存区域划分如下：

 

栈上申请的内存是连续的，内存由系统回收。堆上申请的内存不是连续，内存由程序员申请和释放，多次的申请和释放会造成内存碎片，内存碎片会影响系统运行的性能。

上面内存区各个分类介绍如下：

（1）内核空间：操作系统内核代码运行的内存空间。

（2）栈区：函数内部非静态局部变量，函数形参。

（3）内存映射段I/O：是将磁盘文件的数据映射到虚拟地址的内存，内存映射包含文件映射、动态映射、匿名映射，常用来实现进程间的通信。

（4）堆：堆是由程序员手段分配和释放，C++中分配内存的方式由new和malloc。new是操作符，可以重载，malloc是函数，可以重写。new分配内存是通过malloc实现，new比malloc使用更安全，支持自定义类型内存分配，区别可参考：经典面试题之new和malloc的区别_Datou_Nie的博客-CSDN博客_new和malloc的区别

（5）数据段：存储全局变量，静态变量（全局静态变量，局部静态变量），常量。

（6）代码段（程序段）：存放程序执行代码的一段内存，该内存区域是程序运行前已经确定，并且内存区域通常属于只读，在代码段中可能包含一些只读常量。

使用注意:

         堆栈在程序中使用最多，堆栈的区别有：（1）堆是由程序员分配和释放。栈是由系统分配释放。（2）堆分配效率比栈慢。（3）堆会存在内存碎片，影响机器性能，栈不会产生内存碎片。（4）堆的分配空间大，32位系统理论4G。栈内存空间小，一般位1M或2M，所以对一些较大数据量的存储，必须使用堆。（5）堆生长从低到高，即是从低地址到高地址分配；栈生长高到低。即从高地址到低地址分配。

4、C++中内存分区

C++中内存可以大致分为四个区：

（1）栈：生命周期是编译器自动释放。

（2）堆（malloc,new)：生命周期是用户分配，用户释放。

（3）全局区（静态区）：程序结束时释放。

（4）代码区

C++的内存分区属于系统内存分区的子集，尽管C++分区名跟系统内存分区名有的不一样，但描述的内存空间是一样的。

C++内存分区可参考：

彻底搞懂内存四区_cloudmi的博客-CSDN博客

C++ Basic 32 : 内存四区-  变量的生命周期是怎么管理的？_Techblog of HaoWANG的博客-CSDN博客