• 【OS】Heap & Stack


    操作系统概念的堆、栈不同于数据结构的堆、栈。

    C 语言中,一切指针占 4 字节,这意味着指针指向 RAM 中的地址可以有 232 个,最小的地址是 0,最大的地址是 231 - 1。

    (一)堆:

    堆空间在内存中是一个字节的沙盒。

    malloc()、free()、realloc() 是程序员使用软件,通过特定的启发式策略管理内存的。malloc() 不仅返回一块内存的基地址,它还留出额外的头部空间记录了分配出去的内存块的实际大小。

    经过一些分配释放后,堆中的内存碎片化了,形成有大有小的空闲块。因此使用一个内存块的链表(存储下个空闲内存块的地址)来记录空闲的内存块,这个链表称为空闲表,方便 malloc() 等函数继续管理内存。

    (二)栈:

    当进行函数调用时,函数调用会强制地为局部变量申请空间,这些局部变量的内存就在 RAM 中被称为“栈”(stack segment)的子集中。

    调用 main() 函数时会得到它的局部变量,它们 alive & active,当 main() 调用一个子函数时,main() 的变量就暂时被屏蔽掉了,无法访问;当继续调用子函数的子函数时,这一系列变量都被分配好空间,但只有在最底部的函数中的局部变量才是 alive 的,并可以通过变量名访问。

    每当函数调用时,系统都会为其创建活动记录。

    如调用以下 void fun(int para1, int para2) 函数,

    void fun(int para1, int *para2) {
        char a[4];
        short *b;
        // 以下略
        ...
    }

    系统会形成这样的布局。

    注意:

    (1)函数形参从左到右,分别存放在内存的低地址到高地址,通俗地讲,第二个参数在第一个参数之上。

    (2)位于函数形参和局部变量中间的部分,存储着调用函数的某些信息,告诉我们“哪块代码”调用了 fun(),这里称为 saved PC。

    另一个递归调用阶乘函数的例子:

    int fact(int n) {
        if (n == 0)    return 1;
        return n * fact(n - 1);
    }

    我们用模拟汇编指令的方法写该 <fact> 函数:

     1 R1 = M[SP + 4];    // 将 n 的值存放到寄存器 R1 中
     2 BNE R1, 0, PC + 12;    // Branch分支指令,R1 和 0 Not Equal 时,跳转
     3 RV = 1;
     4 RET;    // RV 存放返回值 1,调用 RET 返回
     5 R1 = M[SP + 4];
     6 R1 = R1 - 1;    // R1 = n - 1
     7 SP = SP - 4;
     8 M[SP] = R1;
     9 CALL <fact>;    // 继续调用 <fact>,此时RV已经存放了 <fact> 返回的有意义的值
    10 SP = SP + 4;
    11 R1 = M[SP + 4];
    12 RV = RV * R1;
    13 RET;

    其中,

    SP(Stack Pointer)是一个特殊的寄存器,指向当前的相关活动记录的基地址,即当前栈的最低地址。

    RV 存放返回值,调用 RET 时讲其返回给函数调用者。

    本例假设系统中每一条指令都是 4 字节宽,因此第 2 行指令是 PC,则满足条件跳转到的 PC + 12 则是第 5 行。

    首先,假设某函数,可能是 fact(4) 或其他函数,调用了 fact(3)。

    如上个例子所示,函数调用时,为形参 3 创建的内存空间构成了当前活动记录的上半部分;SP 指向栈的最低地址,该处的 saved PC 保存了那个“某函数”的调用信息(哪行代码调用了 fact(3))。

    将 n 的值 3 存放到寄存器 R1 中。

    n(3) != 0,跳转到第 5 行。

    准备 n - 1 的值 2。

    创建下个要调用的函数 fact(2) 的活动记录的上半部分

    将 2 写入当前栈帧(stack frame)中。

    调用 fact(2),函数 fact(2) 活动记录的 saved PC 保存了 fact(3) 函数指令第 10 行的地址。

    进入 fact(2),当前 PC 执行到 fact(2) 的第 1 条指令:将 n 的值 2 保存到寄存器 R1 中。

    同上,继续执行 fact(2),开始准备 n - 1 的值 1。

    同上,创建 fact(1) 的活动记录的上半部分

    ……

    直到调用 fact(0)

    函数 fact(0) 返回值为 1。

    开始层层返回

    最后返回值为 6,注意此时 SP 指向的是当前活动记录的基地址。

    最终将 6 返回给调用这个原始调用 fact(3) 的函数。

    到此,fact(3) 执行完毕。

    以上

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