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    算术溢出不可用

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每一个进程都有自己的内存虚拟地址空间,内存最小的单位是页(page).虚拟地址通过页表(Page Table)映射到物理内存,页表由操作系统维护并被CPU引用.Linux默认的栈(stack)大小为8MB.用户进程部分分段存储内容如下所示(从内存高地址到低地址):栈(stack): 函数参数、返回地址、局部变量等堆(heap): malloc(C)/new(C++)动态分配的内存BSS段(bss): 未初始化或初值为0的全局变量和静态局部变量数据段(data): 已初始化且初值非0的全局变量和静态局部变量代码段(text): 可执行代码、字符串字面值、只读变量详细解释:1.内核空间内核总是驻留在内存中,是操作系统的一部分。内核空间为内核保留,不允许应用程序读写该区域的内容或直接调用内核代码定义的函数。2.栈(stack)栈又称堆栈,由编译器自动分配释放,行为类似数据结构中的栈(先进后出)。堆栈主要有三个用途:(1)为函数内部声明的非静态局部变量(C语言中称“自动变量”)提供存储空间。(2)记录函数调用过程相关的维护性信息,称为栈帧(Stack Frame)或过程活动记录(Procedure Activation Record)。它包括函数返回地址,不适合装入寄存器的函数参数及一些寄存器值的保存。除递归调用外,堆栈并非必需。因为编译时可获知局部变量,参数和返回地址所需空间,并将其分配于BSS段。(3)临时存储区,用于暂存长算术表达式部分计算结果或alloca()函数分配的栈内内存。持续地重用栈空间有助于使活跃的栈内存保持在CPU缓存中,从而加速访问。进程中的每个线程都有属于自己的栈。向栈中不断压入数据时,若超出其容量就会耗尽栈对应的内存区域,从而触发一个页错误。此时若栈的大小低于堆栈最大值RLIMIT_STACK(Linux通常是8M),则栈会动态增长,程序继续运行。映射的栈区扩展到所需大小后,不再收缩。Linux中ulimit -s命令可查看和设置堆栈最大值,当程序使用的堆栈超过该值时, 发生栈溢出(Stack Overflow),程序收到一个段错误(Segmentation Fault)。注意,调高堆栈容量可能会增加内存开销和启动时间。堆栈既可向下增长(向内存低地址)也可向上增长, 这依赖于具体的实现。本文所述堆栈向下增长。堆栈的大小在运行时由内核动态调整。3.内存映射段(mmap)此处,内核将硬盘文件的内容直接映射到内存,任何应用程序都可通过Linux的mmap()系统调用或Windows的CreateFileMapping()/MapViewOfFile()请求这种映射。内存映射是一种方便高效的文件I/O方式,因而被用于装载动态共享库。用户也可创建匿名内存映射,该映射没有对应的文件,可用于存放程序数据。在Linux中,若通过malloc()请求一大块内存,C运行库将创建一个匿名内存映射,而不使用堆内存。“大块”意味着比阈值MMAP_THRESHOLD还大,缺省为128KB,可通过mallopt()调整。该区域用于映射可执行文件用到的动态链接库。在Linux 2.4内核中,若可执行文件依赖共享库,则系统会为这些动态库在从0x40000000开始的地址分配相应空间,并在程序装载时将其载入到该空间。在Linux 2.6内核中,共享库的起始地址被往上移动至更靠近栈区的位置。从进程地址空间的布局可以看到,在有共享库的情况下,留给堆的可用空间还有两处:一处是从BSS段到0x40000000,约不到1GB的空间;另一处是从共享库到栈之间的空间,约不到2GB。这两块空间大小取决于栈、共享库的大小和数量。这样来看,是否应用程序可申请的最大堆空间只有2GB?事实上,这与Linux内核版本有关。在上面给出的进程地址空间经典布局图中,共享库的装载地址为0x40000000,这实际上是Linux kernel 2.6版本之前的情况了,在2.6版本里,共享库的装载地址已经被挪到靠近栈的位置,即位于0xBFxxxxxx附近,因此,此时的堆范围就不会被共享库分割成2个“碎片”,故kernel 2.6的32位Linux系统中,malloc申请的最大内存理论值在2.9GB左右。4.堆(heap)堆用于存放进程运行时动态分配的内存段,可动态扩张或缩减。堆中内容是匿名的,不能按名字直接访问,只能通过指针间接访问。当进程调用malloc(C)/new(C++)等函数分配内存时,新分配的内存动态添加到堆上(扩张);当调用free(C)/delete(C++)等函数释放内存时,被释放的内存从堆中剔除(缩减) 。分配的堆内存是经过字节对齐的空间,以适合原子操作。堆管理器通过链表管理每个申请的内存,由于堆申请和释放是无序的,最终会产生内存碎片。堆内存一般由应用程序分配释放,回收的内存可供重新使用。若程序员不释放,程序结束时操作系统可能会自动回收。堆的末端由break指针标识,当堆管理器需要更多内存时,可通过系统调用brk()和sbrk()来移动break指针以扩张堆,一般由系统自动调用。使用堆时经常出现两种问题:(1) 释放或改写仍在使用的内存(“内存破坏”);(2) 未释放不再使用的内存(“内存泄漏”)。当释放次数少于申请次数时,可能已造成内存泄漏。泄漏的内存往往比忘记释放的数据结构更大,因为所分配的内存通常会圆整为下个大于申请数量的2的幂次(如申请212B,会圆整为256B)。注意,堆不同于数据结构中的”堆”,其行为类似链表。5.BSS段BSS(Block Started by Symbol)段中通常存放程序中以下符号:未初始化的全局变量和静态局部变量.初始值为0的全局变量和静态局部变量(依赖于编译器实现).未定义且初值不为0的符号(该初值即common block的大小).C语言中,未显式初始化的静态分配变量被初始化为0(算术类型)或空指针(指针类型)。由于程序加载时,BSS会被操作系统清零,所以未赋初值或初值为0的全局变量都在BSS中。BSS段仅为未初始化的静态分配变量预留位置,在目标文件中并不占据空间,这样可减少目标文件体积。但程序运行时需为变量分配内存空间,故目标文件必须记录所有未初始化的静态分配变量大小总和(通过start_bss和end_bss地址写入机器代码)。当加载器(loader)加载程序时,将为BSS段分配的内存初始化为0。在嵌入式软件中,进入main()函数之前BSS段被C运行时系统映射到初始化为全零的内存(效率较高)。注意,尽管均放置于BSS段,但初值为0的全局变量是强符号,而未初始化的全局变量是弱符号。若其他地方已定义同名的强符号(初值可能非0),则弱符号与之链接时不会引起重定义错误,但运行时的初值可能并非期望值(会被强符号覆盖)。因此,定义全局变量时,若只有本文件使用,则尽量使用static关键字修饰;否则需要为全局变量定义赋初值(哪怕0值),保证该变量为强符号,以便链接时发现变量名冲突,而不是被未知值覆盖。某些编译器将未初始化的全局变量保存在common段,链接时再将其放入BSS段。在编译阶段可通过-fno-common选项来禁止将未初始化的全局变量放入common段。此外,由于目标文件不含BSS段,故程序烧入存储器(Flash)后BSS段地址空间内容未知。U-Boot(一个嵌入式操作系统引导程序)启动过程中,将U-Boot的Stage2代码(通常位于lib_xxxx/board.c文件)搬迁(拷贝)到SDRAM空间后必须人为添加清零BSS段的代码,而不可依赖于Stage2代码中变量定义时赋0值。BSS段不包含数据,仅维护开始和结束地址,以便内存能在运行时被有效地清零。BSS所需的运行时空间由目标文件记录,但BSS并不占用目标文件内的实际空间,即BSS节段应用程序的二进制映象文件中并不存在。6.数据段(data)数据段通常用于存放程序中已初始化且初值不为0的全局变量和静态局部变量。数据段属于静态内存分配(静态存储区),可读可写。数据段保存在目标文件中(在嵌入式系统里一般固化在镜像文件中),其内容由程序初始化。例如,对于全局变量int gVar = 10,必须在目标文件数据段中保存10这个数据,然后在程序加载时复制到相应的内存。数据段与BSS段的区别如下: (1) BSS段不占用物理文件尺寸,但占用内存空间;数据段占用物理文件,也占用内存空间。对于大型数组如int ar0[10000] = {1, 2, 3, ...}和int ar1[10000],ar1放在BSS段,只记录共有10000*4个字节需要初始化为0,而不是像ar0那样记录每个数据1、2、3...,此时BSS为目标文件所节省的磁盘空间相当可观。(2) 当程序读取数据段的数据时,系统会发出缺页故障,从而分配相应的物理内存;当程序读取BSS段的数据时,内核会将其转到一个全零页面,不会发生缺页故障,也不会为其分配相应的物理内存。运行时数据段和BSS段的整个区段通常称为数据区。某些资料中“数据段”指代数据段 + BSS段 + 堆。7.代码段(text)代码段也称正文段或文本段,通常用于存放程序执行代码(即CPU执行的机器指令)。一般C语言执行语句都编译成机器代码保存在代码段。通常代码段是可共享的,因此频繁执行的程序只需要在内存中拥有一份拷贝即可。代码段通常属于只读,以防止其他程序意外地修改其指令(对该段的写操作将导致段错误)。某些架构也允许代码段为可写,即允许修改程序。代码段指令根据程序设计流程依次执行,对于顺序指令,只会执行一次(每个进程);若有反复,则需使用跳转指令;若进行递归,则需要借助栈来实现。代码段指令中包括操作码和操作对象(或对象地址引用)。若操作对象是立即数(具体数值),将直接包含在代码中;若是局部数据,将在栈区分配空间,然后引用该数据地址;若位于BSS段和数据段,同样引用该数据地址。代码段最容易受优化措施影响。8.保留区(reservd)位于虚拟地址空间的最低部分,未赋予物理地址。任何对它的引用都是非法的,用于捕捉使用空指针和小整型值指针引用内存的异常情况。它并不是一个单一的内存区域,而是对地址空间中受到操作系统保护而禁止用户进程访问的地址区域的总称。大多数操作系统中,极小的地址通常都是不允许访问的,如NULL。C语言将无效指针赋值为0也是出于这种考虑,因为0地址上正常情况下不会存放有效的可访问数据。在32位x86架构的Linux系统中,用户进程可执行程序一般从虚拟地址空间0x08048000开始加载。该加载地址由ELF文件头决定,可通过自定义链接器脚本覆盖链接器默认配置,进而修改加载地址。0x08048000以下的地址空间通常由C动态链接库、动态加载器ld.so和内核VDSO(内核提供的虚拟共享库)等占用。通过使用mmap系统调用,可访问0x08048000以下的地址空间。
a123456678 2019-12-02 02:41:17 0 浏览量 回答数 0

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我们都知道虚拟机的内存划分了多个区域,并不是一张大饼。那么为什么要划分为多块区域呢,直接搞一块区域,所有用到内存的地方都往这块区域里扔不就行了,岂不痛快。是的,如果不进行区域划分,扔的时候确实痛快,可用的时候再去找怎么办呢,这就引入了第一个问题,分类管理,类似于衣柜,系统磁盘等等,为了方便查找,我们会进行分区分类。另外如果不进行分区,内存用尽了怎么办呢?这里就引入了内存划分的第二个原因,就是为了方便内存的回收。如果不分,回收内存需要全部内存扫描,那就慢死了,内存根据不同的使用功能分成不同的区域,那么内存回收也就可以根据每个区域的特定进行回收,比如像栈内存中的栈帧,随着方法的执行栈帧进栈,方法执行完毕就出栈了,而对于像堆内存的回收就需要使用经典的回收算法来进行回收了,所以看起来分类这么麻烦,其实是大有好处的。 提到虚拟机的内存结构,可能首先想起来的就是堆栈。对象分配到堆上,栈上用来分配对象的引用以及一些基本数据类型相关的值。但是·虚拟机的内存结构远比此要复杂的多。除了我们所认识的(还没有认识完全)的堆栈以外,还有程序计数器,本地方法栈和方法区。我们平时所说的栈内存,一般是指的栈内存中的局部变量表。 从图中可以看到有5大内存区域,按照是否被线程所共享可分为两部分,一部分是线程独占区域,包括Java栈,本地方法栈和程序计数器。还有一部分是被线程所共享的,包括方法区和堆。什么是线程共享和线程独占呢,非常好理解,我们知道每一个Java进行都会有多个线程同时运行,那么线程共享区的这片区域就是被所有线程一起使用的,不管有多少个线程,这片空间始终就这一个。而线程的独占区,是每个线程都有这么一份内存空间,每个线程的这片空间都是独有的,有多少个线程就有多少个这么个空间。上图的区域的大小并不代表实际内存区域的大小,实际运行过程中,内存区域的大小也是可以动态调整的。下面来具体说说每一个区域的主要功能。 程序计数器,我们在写代码的过程中,开发工具一般都会给我们标注行号方便查看和阅读代码。那么在程序在运行过程中也有一个类似的行号方便虚拟机的执行,就是程序计数器,在c语言中,我们知道会有一个goto语句,其实就是跳转到了指定的行,这个行号就是程序计数器。存储的就是程序下一条所执行的指令。这部分区域是线程所独享的区域,我们知道线程是一个顺序执行流,每个线程都有自己的执行顺序,如果所有线程共用一个程序计数器,那么程序执行肯定就会出乱子。为了保证每个线程的执行顺序,所以程序计数器是被单个线程所独显的。程序计数器这块内存区域是唯一一个在jvm规范中没有规定内存溢出的。 java虚拟机栈,java虚拟机栈是程序运行的动态区域,每个方法的执行都伴随着栈帧的入栈和出栈。 栈帧也叫过程活动记录,是编译器用来实现过程/函数调用的一种数据结构。栈帧中包括了局部变量表,操作数栈,方法返回地址以及额外的一些附加信息,在编译过程中,局部变量表的大小已经确定,操作数栈深度也已经确定,因此栈帧在运行的过程中需要分配多大的内存是固定的,不受运行时影响。对于没有逃逸的对象也会在栈上分配内存,对象的大小其实在运行时也是确定的,因此即使出现了栈上内存分配,也不会导致栈帧改变大小。 一个线程中,可能调用链会很长,很多方法都同时处于执行状态。对于执行引擎来讲,活动线程中,只有栈顶的栈帧是最有效的,称为当前栈帧,这个栈帧所关联的方法称为当前方法。执行引擎所运行的字节码指令仅对当前栈帧进行操作。Ft5rk58GfiJxcdcCzGeAt8fjkFPkMRdf 局部变量表:我们平时所说的栈内存一般就是指栈内存中的局部变量表。这里主要是存储变量所用。对于基本数据类型直接存储其值,对于引用数据类型则存储其地址。局部变量表的最小存储单位是Slot,每个Slot都能存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress类型的数据。 既然前面提到了数据类型,在此顺便说一下,一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型,Java中占用32位以内的数据类型有boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress八种类型。前面六种不需要多解释,大家都认识,而后面的reference是对象的引用。虚拟机规范既没有说明它的长度,也没有明确指出这个引用应有怎样的结构,但是一般来说,虚拟机实现至少都应当能从此引用中直接或间接地查找到对象在Java堆中的起始地址索引和方法区中的对象类型数据。而returnAddress是为字节码指令jsr、jsr_w和ret服务的,它指向了一条字节码指令的地址。 对于64位的数据类型,虚拟机会以高位在前的方式为其分配两个连续的Slot空间。Java语言中明确规定的64位的数据类型只有long和double两种(reference类型则可能是32位也可能是64位)。值得一提的是,这里把long和double数据类型读写分割为两次32读写的做法类似。不过,由于局部变量表建立在线程的堆栈上,是线程私有的数据,无论读写两个连续的Slot是否是原子操作,都不会引起数据安全问题。 操作数栈是一个后入先出(Last In First Out, LIFO)栈。同局部变量表一样,操作数栈的最大深度也在编译的时候被写入到字节码文件中,关于字节码文件,后面我会具体的来描述。操作数栈的每一个元素可以是任意的Java数据类型,包括long和double。32位数据类型所占的栈容量为1,64位数据类型所占的栈容量为2。在方法执行的任何时候,操作数栈的深度都不会超过在max_stacks数据项中设定的最大值。 当一个方法刚刚开始执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法的执行过程中,会有各种字节码指令向操作数栈中写入和提取内容,也就是入栈出栈操作。例如,在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的,又或者在调用其他方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的。 举个例子,整数加法的字节码指令iadd在运行的时候要求操作数栈中最接近栈顶的两个元素已经存入了两个int型的数值,当执行这个指令时,会将这两个int值和并相加,然后将相加的结果入栈。 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配,在编译程序代码的时候,编译器要严格保证这一点,在类校验阶段的数据流分析中还要再次验证这一点。再以上面的iadd指令为例,这个指令用于整型数加法,它在执行时,最接近栈顶的两个元素的数据类型必须为int型,不能出现一个long和一个float使用iadd命令相加的情况。 本地方法栈 与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。 方法区经常会被人称之为永久代,但这俩并不是一个概念。首先永久代的概念仅仅在HotSpot虚拟机中存在,不幸的是,在jdk8中,Hotspot去掉了永久代这一说法,使用了Native Memory,也就是Metaspace空间。那么方法区是干嘛的呢?我们可以这么理解,我们要运行Java代码,首先需要编译,然后才能运行。在运行的过程中,我们知道首先需要加载字节码文件。也就是说要把字节码文件加载到内存中。好了,问题就来了,字节码文件放到内存中的什么地方呢,就是方法区中。当然除了编译后的字节码之外,方法区中还会存放常量,静态变量以及及时编译器编译后的代码等数据。 堆,一般来讲堆内存是Java虚拟机中最大的一块内存区域,同方法区一样,是被所有线程所共享的区域。此区域所存在的唯一目的就存放对象的实例(对象实例并不一定全部在堆中创建)。堆内存是垃圾收集器主要光顾的区域,一般来讲根据使用的垃圾收集器的不同,堆中还会划分为一些区域,比如新生代和老年代。新生代还可以再划分为Eden,Survivor等区域。另外为了性能和安全性的角度,在堆中还会为线程划分单独的区域,称之为线程分配缓冲区。更细致的划分是为了让垃圾收集器能够更高效的工作,提高垃圾收集的效率。 如果想要了解更多的关于虚拟机的内容,可以观看录制的<深入理解Java虚拟机>这套视频教程。
zwt9000 2019-12-02 00:21:07 0 浏览量 回答数 0

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