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可理解

堆结构

堆块

​ 堆块是堆的基本组织单位，包括块首和块身；一般位于整个堆区的开始位置，用于索引堆区中所有堆块的重要信息；堆块共分为占有态（系统管理）和空闲态（程序员管理），对于空闲态堆块而言，块首会额外存储两个4字节指针：Flink（前向）指针和Blink（后向）指针。

​ 当我们使用函数申请的地址指针/句柄，会指向堆块块身的首地址（直接越过8字节的块首）；堆块的大小包括块首，当申请16字节时，实际会分配24字节（自动加首部）；堆块的单位是8字节，因此不足会按8字节进行分配。

堆表

​ 在windouws系统中占有态的堆块被使用程序索引，空闲态的对快被堆表索引；其中最重要的堆表有：空闲双向链表（空表，freelist）和快速单向链表（快表,lookaside,加速堆块分配）；空表包含空表索引（也叫空表表头，大小为128的数组（free[]），数组的每一项包含两个指针用于标识一条空表）和空闲链块两部分。

空表索引的free[1]用于白哦是堆中所有大小为8字节的空闲堆块，之后每个索引项指引的空闲堆块递增8字节。free[0]用于存放≥1024B而小于512KB的堆块并升序排列；因此在分配时会先从free[0]中反向查找，满足时再正向搜索最小能满足要求的空闲堆块。

堆块的释放和分配操作可能引发堆块合并，即当堆管理系统发现两个空闲堆块相临时会进行堆块合并操作。

寄存器

中央处理器CPU的组成部分，因CPU的运算速度远远高于内存的读写速度，为避免被拖慢，CPU会自带一级缓存和二级缓存；对于读写频繁的数据都会存档在寄存器中，CPU优先读取寄存器，再由寄存器跟内存交换数据。32位CPU指的就是寄存器的大小。

变址寄存器（通用寄存器ESI【源地址指针】,EDI【目的地址指针】 指针寄存器EBP,ESP）用于栈操作中存放操作数和计算操作数的有效地址，不可分割为8位寄存器。

[!CAUTION]

CPU使用寄存器读数据比从一/二级缓存里更快

需掌握

内存区域

  • 代码区：存储被装入执行的二进制机器代码，可执行文件包含的二进制机器代码将被加载到内存的代码区，由处理器依次取出送去ALU执行；
  • 静态数据区：存放程序运行的全局变量、静态变量等；
  • 堆区：用于动态分配进程内存；需要使用专有函数进行申请，其大小受限于计算机的虚拟内存；
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/*C使用malloc/calloc作为堆分配关键字，int**意为强制类型转换*/
int **a = (int**)malloc(sizeof(int*)*10);   //**a:指向指针的指针，存的是int*指针类型的地址
free a;                                     //释放a指向的堆内存，当未指向额外堆内存时
a = NULL;                                   //避免野指针
/*否则先释放内层，再释放外层，避免内存泄露*/
for (i = 0; i < 10; i++) {
        a[i] = (int*)malloc(sizeof(int)*5);
        if (a[i] == NULL) {
            // 若某个内层分配失败，需先释放已分配的内层内存，再释放外层
            while (--i >= 0) {
                free(a[i]);
                a[i] = NULL;
            }
            free(a);
            a = NULL;
            return 1;
        }
/*C++中使用new作为动态分配关键字*/
int *p1 = new int[200];                     
delete[] p1;                                //手动释放堆区内存
p1 = nullptr;                               //避免野指针

  • 栈区：动态存储函数之间的调用关系；向低地址扩展的数据结构，采取FILO的访存方式，主要存储函数运行时的局部变量、数组等。

    [!TIP]

    在栈区中，变量a先入栈，变量b后入栈，则变量a所在内存地址比变量b高

    对代码块int *p1 = new int[200];char *p2 = new char[30];我们可以分析得到，其所申请的内存将分配到堆区，而p1和p2的值的大小无法确定（堆分配不是栈那样的顺序地址）

堆区和栈区的区别（4个区别）

  1. 在申请方式上，栈由程序自动分配，而堆需要程序员自己申请（如C语言的malloc函数）；

  2. 在申请效率上，栈由于自动分配，速率较快，不产生内存碎片，而堆因手动分配速度较慢，可能产生内存碎皮；

  3. 在释放方式上，栈在作用域结束后自动释放而堆需要作用域结束前手动释放，否则会造成内存泄露；

  4. 在使用场合上，若需要的内存很少且运行前可知需多少内存时，使用栈，否则使用堆。

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/*区分*/
int a;
int *p = &a;      //若p是局部变量则在栈区，a是直接声明的，所以也在栈区
int *p = new int; //指针p本身在栈区但指向的内存是new分配的，在堆区

数据寄存器

  • 32位CPU有4个32位通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。对其低16位的存取不会影响到高16位的数据。这些低16位寄存器分别命名为AX、BX、CX和DX与先前CPU中的寄存器相一致；

  • 4个16位寄存器又可分割为8个独立的八位寄存器，每个寄存器有自己的名称，可独立存取

    AX：AH-AL BX：BH-BL CX：CH-CL DX：DH-DL

  • EAX(累加器)：使用频率高，用于算术运算和输入/输出操作，还常用于存储函数返回值；

  • EBX(基地址寄存器)：作为内存指针使用，用于访存；

  • ECX（计数寄存器)：用于控制循环次数和；在移位操作时，用CL来指明移位的位数；

  • EDX(数据寄存器)：进行乘除运算时作为默认数参与运算，也用于存放I/O设备端口。

函数栈帧（！important）

ESP和EBP之间的内存空间为当前栈帧，EBP标识了当前栈帧的底部，ESP标识当前栈帧的顶部；对于当前正在运行的函数栈帧总是在栈顶

指令指针寄存器

IP，永远指向当前等待执行的指令；EIP用于存储下次将要执行的指令在代码段的偏移量。

标志寄存器(EFlags)

在32位操作系统中大小为32位，可存32个标志。

  • ZF（零标志）：运算结果为0，置1；
  • OF（溢出）:按照无符号数计算加减法再转为有符号数，若超出有符号数表示范围（-128127,即1000000001111111）或运算结果错误，置1；
  • CF（进位）：运算结果最高位产生进位/借位，置1；
  • SF（符号标志）：运算结果最高位为1，置1。
EXAMPLE(8bit)
01111111+00000001=10000000（运算结果错误，本该为128，但是现在显示的-128） ZF=0 OF=1 CF=0 SF=1
00000000-10000000=10000000 (0-（-128）=128，超出范围) ZF=0 OF=1 CF=1 SF=1
10000000-01111111=00000001 ZF=0 OF=1 CF=0 SF=0
11111111+00000001=00000000 ZF=1 OF=0 CF=1 SF=0

x64架构CPU寄存器

寄存器均扩展至64位，名称的第一个字母E改为R，增加了8个64位通用寄存器R8-R15，也可使用其低位寄存器R8D(32位)，R8W(16位)，R8B(8位)。

第二章 结