软件运行原理 - 内存模型 - 栈内存

说明

• C/C++软件运行时，内存根据使用方式的不同分为堆内存和栈内存，栈内存使用有以下特征：

1. 栈内存使用（申请、释放）由系统自动分配和释放，程序员不用做任何操作。
2. 栈内存重复使用，进入函数时数据入栈，函数执行完数据出栈。

• 函数中的局部变量以及实参保存在栈内存中。

内存模型

• 栈内存处于进程虚拟内存的高地址，从高往低扩展。
• 堆内存处于进程虚拟内存的低地址，从低往高扩展。

原理

• 在数据结构领域，栈是一种仅在尾部进行插入或删除操作的线性表，以后进先出的规则管理数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，压入数据叫做入栈，弹出数据叫做出栈。
• 函数调用关系也是一种栈的形式，先进后出，第一个函数（main）最后执行完，末端函数最先执行完。
• 因此使用栈的形式来管理函数调用中的临时内存使用（局部变量等）是非常合适的，而非临时的内存使用则需要通过另外一种方式（堆内存）来管理，所以系统将进程的虚拟内存划分为栈内存和堆内存。
• 栈内存和堆内存本质上就是一块内存空间，只是不同的使用方式而已，对于编译器就是不同的使用规范。

操作单元

• 入栈，出栈的操作单元并不是单个变量，而是整个函数，整个函数所需栈内存大小在编译时就能确认，入栈和出栈都是以整个函数需要的栈内存大小为单位一次性扩大/缩小栈内存空间。
• 以及其它使用考量，例如：函数调用栈回溯等，操作单元不仅仅是函数临时变量（局部变量，实参等）所需的栈内存空间，编译器还会保存一些其它信息，例如：为了解决函数调用栈中间函数跳转问题，需要将LR保存在栈中。
• 整个操作单元就叫做栈帧。

栈帧（Stack Frame）

• 每一次函数调用,都会在栈内存上维护一个独立的栈帧(stack frame)，栈帧大小是编译时确认的，就是该函数需要占多少栈空间.每个独立的栈帧一般包括:

1. 函数参数
2. 临时变量: 包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
3. 函数调用的上下文，例如：帧指针(Frame Pointer)和返回地址（LR）等

入栈、出栈操作

• 不同平台，函数调用的入栈和函数结束的出栈操作有细微差别，ARMV8平台操作。