LibraryandRuntimeMemory应用程序使用的内存空间一般包括以下“默认”区域：Stack：栈用于维护函数调用的上下文。通常堆栈分配在用户空间的最高地址，大小可以是几兆字节。堆：堆是用来容纳应用程序动态分配的内存区域。当程序使用malloc或new分配内存时，获取的内存来自堆。堆通常存在于栈的下方（低地址方向），在某些时候，堆可能没有固定统一的存储区域。堆一般比栈大很多，可以有几十到几百兆字节的容量。可执行文件映像：可执行文件的内存在加载时被加载器读取或映射到这里。保留区：保留区不是单一的内存区域，而是内存中受保护的内存区域的总称，禁止访问。动态链接库映射区：用于映射动态链接库。Linux（内核版本2.4.x）下一个进程中的典型内存布局：栈中存储了函数调用所需的维护信息，通常称为栈帧（StackFrame）或活动记录（ActivateRecord）。栈帧一般包括以下几个方面：函数的返回地址和参数。临时变量：包括函数的非静态局部变量和编译器自动生成的其他临时变量。保留上下文：包括函数调用前后需要保持不变的寄存器。intfoo(){return123;}该函数的反汇编（VC9，i386，Debug模式）代码：第4步代码用于调试，大致相当于如下伪代码：edi=ebp-0xC0;ecx=0x30;eax=0xCCCCCCCC;for(;ecx!=0;--ecx,edi+=4)*((int*)edi)=eax;可以看出，这段代码实际上改变了内存地址，从ebp-x0c0开始，一直到ebp的段都被初始化为0xCC（0xCCCC的汉字代码比较火，所以我们会看到未初始化的变量或者内存区的值为“热”）调试时。正好是第2步在栈上分配的空间，函数的调用者和被调用者需要对如何调用函数有一个统一的约定。这种统一的约定称为调用约定（CallingConvention）。通常调用约定包括以下几个方面。传递函数参数的顺序和方式。如何维护堆栈。名称修改策略。函数将返回值存储在eax中，返回函数的调用者正在读取eax。对于返回5-8字节对象的情况，几乎所有的调用约定都是以eax和edx联合返回的方式进行的。如果返回值类型的大小过大，如下图所示，C语言函数在返回时会使用栈上的一块临时内存区域作为传递，得到的返回值对象会被复制两次。因此，除非万不得已，否则不要轻易退还大件物品。一个常见的Windows进程的地址空间分布如图所示。Windows系统提供了一个名为VirtualAlloc()的API，用于向系统申请空间，这与Linux下的mmap非常相似。实际上，VirtualAlloc()申请的空间并不一定只用于堆，它只是为系统预留了一个虚拟地址，应用程序可以根据需要使用。但是在使用VirtualAlloc()函数申请空间时，系统要求空间大小必须是页的整数倍，即对于x86系统，必须是4096字节的整数倍。这是操作系统“批发”内存的接口函数，从4096字节开始。在Windows中，堆管理器提供了一组堆相关的API，可以用来创建（HeapGreate）、分配（HeapAlloc）、释放（HeapFree）和销毁（HeapDestroy）堆空间。其中，HeapGreate是通过VirtualAlloc()实现将一块内存空间批发给操作系统。堆管理器通过这些API实现堆分配算法。我们经常使用的malloc函数其实是运行时库提供的函数。它实际上是对Heapxxxx系列函数的封装。当一个堆空间不够时，它会在进程中创建一个额外的堆。堆分配算法实际上解决的是如何管理一大片连续的内存空间，按需分配和释放空间。堆分配算法有很多种，比如简单的freelist算法、位图算法、对象池算法等，也有的很复杂，适用于一些性能要求高或者有其他特殊要求的场合。事实上，在很多实际应用中，堆分配算法往往是由多种算法组合而成。一个典型的运行时库程序运行过程大致如下：操作系统创建进程后，将控制权交给程序的入口，而这个入口往往是运行时库中的一个入口函数。入口函数初始化运行库和程序运行环境，包括堆、I/O、线程、全局变量构造等。入口函数完成初始化后，调用main函数正式开始执行程序的主体部分。main函数执行完后，返回入口函数。入口函数执行清理工作，包括全局变量销毁、堆销毁、关闭I/O等，然后执行系统调用结束进程。C语言文件操作是通过一个指向FILE结构的指针来执行的。在操作系统层面，文件操作也有一个类似于FILE的概念。在Linux中，这被称为文件描述符（Filedescriptor），而在Windows中，它被称为句柄（Handle）。对于Windows中的句柄，类似于Linux中的fd，但Windows中的句柄不是打开文件表的下标，而是下标线性变换的结果。IO初始化函数需要在用户空间建立stdin、stdout、stderr及其对应的FILE结构，这样程序进入main后就可以直接使用printf、scanf等函数。MSVC的I/O初始化主要完成以下任务：建立一个打开的文件表。如果可以从父进程继承，则从父进程获取继承的句柄。初始化标准输入和输出。入口函数只是冰山一角，它属于称为运行时库的庞大代码集合。一个C语言运行时库大致包括以下函数：启动和退出：包括入口函数和入口函数所依赖的其他函数。标准函数：由跪在C语言标准中的C语言标准库拥有的函数实现。I/O：I/O功能的封装和实现。堆：堆的封装和实现。语言实现：语言中一些特殊功能的实现。Debug：实现调试功能的代码。从某种程度上说，C语言运行时库是C语言程序与不同操作系统平台之间的一个抽象层，它将不同操作系统的API抽象成相同的库函数。Linux和Windows平台下的两个主要的C语言运行时库是glibc（GNUCLibrary）和MSVCRT（MicrosoftVisualCRun-time）。值得注意的是，线程操作等函数并不是标准C语言运行时库的一部分，但是glibc和MSVCRT都包含了线程操作的库函数。所以glibc和MSVCRT实际上是标准C语言运行时库的超集，它们都对C标准库进行了一些扩展。当你的程序包含一个C++标准库的头文件时，MSVC编译器认为源代码文件是一个C++源代码程序，它会在该节中添加“。相应的C++标准库链接信息。”线程访问非常自由，它可以访问进程内存中的所有数据，甚至包括其他进程的栈，但是在实际使用中，线程也有自己私有的存储空间。这些包括栈，ThreadLocalStorage(TLS),并注册。C/C++运行时库在多线程环境中有很多陷阱。最典型的就是errno，strtok()、printf()等函数，还有一些信号相关的函数都不是线程安全的。CRT使用TLS、锁和改进的函数调用方式来改善线程安全问题。一旦一个全局变量被定义为TLS类型，每个线程都会有该变量的副本，任何线程对该变量的任何修改都不会影响其他线程中该变量的副本。TLS的使用非常简单。如果要定义一个全局变量为TLS类型，只需要在其定义前加上相应的关键字即可。对于GCC，这个关键字是__thread，定义为：__threadintnumber；对于MSVC，所需的关键字是__declspec(thread)，定义为：__declspec(thread)intnumber；（注意：在WindowsVista和2008之前的操作系统中此方法不可用。）对于Windows系统，一般情况下一个全局变量或静态变量会放在“.data”或“.bss”段中，但当我们使用__declspec(thread)定义线程私有变量时，编译器会将这些变量放入PE文件的“.tls”部分。当系统启动一个新的线程时，它会从进程堆中分配一个足够大小的空间，然后将“.tls”部分的内容复制到这个空间中，因此每个线程都有自己独立的“.tls”副本。使用CRT时（基本上所有程序都使用CRT），请尽量使用_beginthread()/_beginthreadex()/_endthread()/_endthreadex这组函数来创建线程。在MFC中，有一组类似的函数AfxBeginThread()和AfxEndThread()，它们是MFC层面的线程包装函数。他们会维护MFC的线程相关结构。我们在使用MFC类库的时候，尽量利用它提供的线程包装器功能来保证程序正确运行。系统调用和API为了让应用程序具有访问系统资源的能力，并允许程序使用操作系统来执行一些操作系统必须支持的行为，每个操作系统都为应用程序提供了一组接口使用。这些接口通常通过中断来实现。例如Linux使用中断号0x80作为系统调用的入口，Windows使用中断号0x2E作为系统调用的入口。中断一般有两个属性，一个叫中断号（从0开始），一个叫中断处理程序（InterruptServiceRoutine，ISR）。不同的中断有不同的中断号，同时一个中断处理程序与一个中断号一一对应。在内核中，有一个叫做中断向量表（InterruptVectorTable）的数组，这个数组的第n项包含了一个指针，指向第n个中断的中断处理程序。当有中断到来时，CPU会暂停当前正在执行的代码，根据中断的中断号在中断向量表中找到对应的中断处理程序，并调用它。中断处理程序执行完后，CPU会继续执行之前的代码。一个简单的图如下：由于中断号非常有限，操作系统不会愿意用一个中断号去对应一个系统调用，而是更愿意用一个或几个中断号去对应所有的系统调用.那么，对于同一个中断号，操作系统如何知道要调用哪个系统调用呢？和中断一样，系统调用也有一个系统调用号，通常是系统调用在系统调用表中的位置。以Linux的0x80中断为例，系统调用号由eax传入。用户将系统调用号放入eax，然后使用0x80调用中断，中断服务程序可以从eax中获取系统调用号，然后调用相应的函数。以下是以fork为例的Linux系统调用的执行流程。许多操作系统使用系统调用作为应用程序的底层，而Windows的底层接口是WindowsAPI。WindowsAPI是Windows编程的基础。虽然Windows内核提供了上百种系统调用（Windows也称系统调用为系统服务），但是由于种种原因，微软并没有将这些系统调用公开，而在这些系统调用之上，建立了这样一个API层，让程序员只能调用API层的函数，不能像linux那样直接使用系统调用。Windows加入API层后，一个常见的fwrite()调用路径如图所示：WindowsAPI以DLL导出函数的形式暴露给应用程序开发者。微软向开发者提供了这些WindowsAPIDLL导出函数的声明头文件、导出库、相关文件和工具，并称之为SoftwareDevelopmentKit（SDK）。当我们安装好VisualStudio后，我们可以在SDK安装目录下找到所有的WindowsAPI函数声明。其中一个头文件“Windows.h”包含了WindowsAPI的核心部分，我们只要在程序中包含它，就可以使用WindowsAPI的核心部分。在WindowsNT系列平台上，系统DLL会依赖一个名为NTDLL.DLL的低级DLL来进行系统调用。NTDLL.DLL封装了WindowsNT内核的系统调用。并且其导出函数不对应用开发者开放，原则上应用程序不应直接使用任何导出函数。
