程序在内存里的样子

复习

• 分支与循环：高级语言结构如何落到比较和跳转指令
• 函数：把一段工作命名、传入参数并获得结果
• 函数调用与运行栈：保存参数、局部变量和返回地址

TL;DR

• 程序在内存里大致分成几块：代码区、数据区、堆、栈
• 代码区放指令，数据区放全局数据，栈放函数调用，堆放运行时动态申请的内存
• 不同的块职责不同、权限不同，增长方向也不同
• 搞清“变量住在哪”，很多现象就说得通了

正文

　　我们一直在用内存：放指令、放数据、放栈帧。可它到底是怎么安排这些内容，才能各就各位、互不打架？这一章，把程序在内存里的全貌铺开来看。

一张内存地图

　　一个正在运行的程序，内存大致长这样：

高地址  ┌───────────────┐
        │      栈        │  ← 向下增长
        │       ↓        │
        │               │
        │       ↑        │
        │      堆        │  ← 向上增长
        ├───────────────┤
        │     数据区      │  全局变量、常量
        ├───────────────┤
        │     代码区      │  指令（通常只读）
低地址  └───────────────┘

　　一块一块看。

代码区

　　代码区放的是 指令 ，也就是编译好后的一串机器码。从“第一次呼吸”起，PC 就是在这片区域里指来指去的。

　　它通常被设为 只读 ：程序运行时不应该去改自己的指令。这也是一道安全防线——万一有人想篡改代码，硬件直接拦下。

数据区

　　数据区放 全局数据 ：在函数外定义的变量、写死的常量等。它们在程序一开始运行时就分配好，直到程序结束才释放。

　　因为地址在加载时就定了，全局变量的位置比较“稳定”，但也因此一直占着内存。

栈：自动来去

　　栈，上一章刚讲过，专门伺候函数调用。参数、返回地址、局部变量都放在这里。

　　它有两个特点：

• 自动 ：函数一调用就分配，一返回就回收，不用程序员操心
• 向下增长 ：新栈帧压在更低的地址上

　　局部变量“出了函数就没了”，正是因为它的家——栈帧——在函数返回时被收走了。

堆：按需申请

　　栈的空间有限，而且讲究“随调用来、随返回走”。可有些数据活得更久、更大，没法塞进栈里。比如“读入一个不确定长度的列表”，事先根本不知道该留多少地方。

　　这时就用 堆 （heap）。堆是一大片空闲区域，程序 在运行时按需申请 ：需要一块内存，就用相应的方式向系统要；用完了，再还回去。它不随函数返回自动消失，什么时候释放，得由程序自己（或它的运行时）决定。

　　堆向上增长，栈向下增长，两者迎面靠近——所以只要栈和堆撞上，就说明内存不够用了。

变量到底住在哪

　　把前面这些串起来，就能回答一个常见问题：变量住在哪？

　　这张表能解释很多现象：为什么局部变量出了函数就访问不到了，为什么动态申请的内存忘记释放会越用越多，为什么递归太深会栈溢出。

　　至此，一个“程序”的骨架就齐了：有指令、有数据、有栈、有堆。但我们还欠着一笔账——这个程序，究竟是怎么从我们写的那几行文字，变成内存里这副样子的？

思考题

　　局部变量和动态申请的内存，一个放栈、一个放堆。它们各自适合保存什么样的数据？为什么“一个不知道长度的列表”更适合放堆，而不是栈？

小结

知识点

• 程序在内存里分为代码区、数据区、堆、栈
• 代码区放指令，通常只读
• 数据区放全局数据
• 栈保存函数调用，自动分配与回收，向下增长
• 堆按需申请，向上增长，手动管理

参考资料

1. Wikipedia(zh)：内存布局：程序的内存分区
2. Wikipedia(zh)：栈 (数据结构)：调用栈
3. Wikipedia(zh)：动态内存分配：堆与内存管理

思考题答案（仅供参考）

　　栈适合“随函数调用而生、随函数返回而死”的小块数据，比如参数和局部变量；堆适合大小不定、生命周期长、需要跨函数存活的数据。一个不知道长度的列表，事先不知道要留多大地方，而且往往要在多个函数之间传递、活得更久，这些都更适合放到堆上按需分配。栈讲究来去分明，放这种数据就不合适了。

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设计师 | 南国微雪