1 内存模型
当一个应用程序启动后，其相关数据就会被加载到内存（RAM）中，CPU会从内存中取出数据，配合从ROM中取出的指令执行相关操作，我们将数据在内存地址空间中的分布情况称为内存模型（Memory Model）。
假设现在有一个应用程序，它的函数调用顺序如下：
main() -> func1() -> func2() ，即：主函数main调用函数func1；函数func1调用函数func2。
当该程序被操作系统调入内存运行时，其应用数据在内存中的映射关系如下所示：
1.1 .text
- .text段是个只读区，用于存放程序的二进制代码，任何对该段的写操作都会导致段错误
- .text段在多个进程间是共享的
1.2 .rodata
- “ro”表示read only，可见该段是个只读区，用于存放不可修改的常量数据，任何对该段的写操作都会导致段错误
- 程序中的常量不一定全部放在.rodata段中，有些立即数也会被放在.text段中
- 若程序中存在重复一致的字符串常量，某些编译器会保证其在.rodata段中只存在一个
- .rodata段在多个进程间是共享的
- 在某些嵌入式系统，.rodata被放在ROM或NOR FLASH中，以便程序在运行时直接读取而无需加载至RAM
1.3 .data
- .data段是可读写区，用于存放初始化过的全局变量和静态变量
- 程序编译时，编译器会为该段数据分配空间，数据保存在编译目标文件中
1.4 .bss
- .bss段是可读写区，用于存放未初始化的全局变量和静态变量
- .bss段只占运行时的内存空间而不占文件空间
- 程序编译时，编译器并不会为该段数据分配空间，仅仅是记录数据所需空间的大小
1.5 heap
- heap即堆区，是向高内存地址生长的数据结构，用于存放编程人员通过
malloc手动申请的内存空间 - heap的生命周期是整个程序运行周期，在其中申请的内存空间需要编程人员通过
free手动释放，避免内存泄漏 - heap是不连续的内存区域，会存在内存碎片
- heap是完全由程序员控制，也是唯一由程序员完全控制的内存区域，其操作灵活，但分配效率比栈要低
在heap中申请动态内存原理：
操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当操作系统收到程序的动态内存申请时，会由低地址向高地址遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从链表中的空闲结点删除，并将该结点的空间分配给程序。对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样通过free才能正确的释放申请的动态内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
1.6 stack
- stack即栈区，是向低地址生长的先进后出的数据结构，由操作系统进行管理，用于存放局部变量和函数参数
- stack所占内存由操作系统在函数执行完成时自行释放
- stack是连续的内存区域，两个紧密挨着定义的局部变量，他们所占的存储空间也是紧挨着的
- stack属于线程私有
- stack能分配的内存空间较少，若申请的内存空间超过栈的剩余空间时，将导致栈溢出错误
- stack不够用的情况一般是程序中分配了大量数组或递归函数层次太深
当程序函数被调用时，操作系统会将函数参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，操作系统会将这些信息销毁，所以局部变量、函数参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。栈内存的具体分布情况如下图所示：
$ebp指针指向当前调用函数的栈底，$esp指针指向调用函数的栈顶，函数栈增加内存空间只要移动$esp即可，栈中的数据越多, $esp的值越小。每个函数栈都会保存自己的栈底指针，用于在下一个函数栈被回收之后，通过$ebp找到自己函数栈的栈底，以便恢复现场。
实际上，在程序启动时，会先为栈区分配一块大小适当的内存，对于一般的函数调用，进栈出栈只是$ebp、$esp指针的变换，或者是向已分配的内存中写入数据，不涉及内存的分配和释放，这也就是“栈内存的分配效率要高于堆”的原因。
1.7 小结
总体来说，程序源代码被编译之后主要分成两部分：程序指令和程序数据。.text段用于存放程序指令，具有只读属性，.rodata、.data、.bss、heap和stack用于存放程序数据，具有可读可写属性。.rodata、.data和.bss段在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，大小固定，只有等到程序运行结束后由操作系统回收，而heap和stack则在程序运行时动态开辟。
当系统中运行着多个程序且这些程序的某些程序指令是一样时，这些程序可以共享一份程序指令，因此只需在内存中保存一份程序指令即可，只是每一个程序运行中的程序数据不一样而已，这样可以节省大量的内存空间。
在函数调用时，第一个进栈的是主函数后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数（在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的），然后是函数中的局部变量（注意静态变量是不入栈的）。 当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
2 内存对齐
在单位时间内读取内存的次数叫做CPU的主频，CPU通过地址总线来访问内存数据，为了做到最快的寻址，即一次获取的数据尽量多，并且不要重复，CPU寻址采用步长进行寻址，并且只对编号为一定倍数的内存寻址，如下所示：
一般多少位的CPU一次能取到的数据就是多少位的，所以32位CPU的寻址步长为4个字节，假如寻址起始地址为0，则每次只对编号为 4 的倍数的内存进行寻址（即只对0、4、8、12······1000这样的地址寻址）。
所以对于程序来说，一个变量最好位于一个寻址步长的范围内，这样一次就可以读取到变量的值，如果跨步长存储，就需要读取两次，然后再拼接数据，显然效率降低了。为了提高数据读取效率，将一个数据尽量放在一个步长之内，避免跨步长存储，这称为内存对齐。
内存对齐不需要程序员亲自操作，编译器在编译程序时，会自动尽量将一个数据尽量放在一个步长之内，避免跨步长存储，实现内存对齐，这是一个编译机制。对齐位数取决于编译模式，在32位编译模式下，默认以4字节对齐；在64位编译模式下，默认以8字节对齐。