C/C++的內存分配?棧和堆的區別?爲什麼棧快?

一個由 C/C++ 編譯的程序佔用的內存分爲以下幾個部分 :
  1. 棧區( stack ) ——由編譯器自動分配釋放,存放爲運行函數而分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等。其操作方式類似於數據結構中的棧;
  2. 堆區( heap )——一般由程序員分配釋放, 若程序員不釋放,程序結束時可能由 OS 回收 。分配方式類似於鏈表;
  3. 全局區(靜態區)(static)——存放全局變量、靜態數據。初始化的數據放在一塊區域,未初始化的數據放在相鄰的另一塊區域。程序結束後由系統釋放;
  4. 文字常量區——常量字符串就是放在這裏的。程序結束後由系統釋放;
  5. 程序代碼區——存放函數體(類成員函數和全局函數)的二進制代碼。
注意:
  1. 在所有函數體外定義的是全局變量
  2. 加了static修飾符後不管在哪裏都存放在全局區(靜態區)
  3. 在所有函數體外定義的static變量表示在該文件中有效,不能extern到別的文件用
  4. 在函數體內定義的static表示只在該函數體內有效
  5. 函數中的常量字符串存放在常量區

堆和棧的比較

  1. 申請方式
    stack: 由系統自動分配。
    heap: 需要程序員自己申請,並指明大小,在 C 中 用malloc 函數, C++ 中是 new 運算符。
  2. 申請後系統的響應
    棧:只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將爲程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。
    堆:首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序。
    對於大多數系統,會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的 delete 語句才能正確的釋放本內存空間。
    由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。
  3. 申請大小的限制
    棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在Windows下,棧的大小是 2M (也有的說是 1M ,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩餘空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。
    堆:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。
  4. 申請效率的比較
    棧由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的 。
    堆是由 new 分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片 , 不過用起來方便 。
  5. 堆和棧中的存儲內容
    棧:在函數調用時,第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址,然後是函數的各個參數,在大多數的 C 編譯器中,參數是由右往左入棧的,然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
    當本次函數調用結束後,局部變量先出棧,然後是參數,最後棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。
    堆:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。
  6. 存取效率的比較
char s1[] = /"a/";
char *s2 = /"b/";

比如:
a 是在運行時刻賦值的;
b 是在編譯時就確定的;
但是,在以後的存取中,在棧上的數組比指針所指向的字符串 ( 例如堆 ) 快。 比如:

int main()
{
    char a = 1;
    char c[] = /"1234567890/";
    char *p =/"1234567890/";
    a = c[1];
    a = p[1];
    return 0;
}

第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器 cl 中,而第二種則要先把指針值讀到 edx 中,再根據 edx 讀取字符,顯然慢了。

綜上,堆和棧的主要區別我們就明白了,

我們可以做一個比喻:
使用棧就像我們去飯館裏吃飯,只管點菜(申請)、付錢、吃(使用),吃完了就走,不用理會這個過程,比如切菜、洗菜以及洗碗等掃尾工作,好處是快捷,但是自由度小。
使用堆,就像是自己動手做喜歡吃的菜餚,需要自己動手,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。


爲什麼棧快?

在具體的C/C++編程框架中,這兩個概念並不是並行的。棧是機器系統提供的數據結構,而堆棧是C/C++函數庫提供的。
具體來說,現代計算機,都直接在代碼底層支持棧的數據結構。這體現在,有專門的寄存器指向棧所在的地址,有專門的機器指令完成數據入棧出棧的操作。這種機制的特點是效率高,支持的數據有限,一般是整數,指針,浮點數等系統支持的數據類型,並不直接支持其他的數據結構。

和棧不同,堆的數據結構並不是由系統支持的,而是有函數庫提供的。基本的malloc/realloc/free函數維護了一套內部的堆數據結構。當程序使用這些函數去獲得新的內存空間時,這套函數首先試圖從內部堆中尋找可用的內存空間,如果沒有可以使用的內存空間,則試圖利用系統調用來動態增加程序數據段的內存大小,新分配得到的空間首先被組織進內部堆中去,然後再以適當的形式返回給調用者。當程序釋放分配的內存空間時,這片內存空間被返回內部堆結構中,可能會被適當的處理,比如和其他空間合併成更大的空閒空間。
使用這麼複雜的機制有如下原因:

  1. 系統調用可能不支持任意大小的內存分配。有些系統的系統調用只支持固定大小及其倍數的內存請求(按頁分配);這樣的話對於大量的小內存分類會造成浪費。
  2. 系統調用申請內存代價昂貴,涉及用戶態和核心態的轉換
  3. 沒有管理的內存分配在大量複雜內存的分配釋放下很容易造成內存碎片。

從這裏我們可以看到,堆和棧相比,由於大量 new/delete 的使用,容易造成大量的內存碎片;由於沒有專門的系統支持,效率很低;由於可能引發用戶態和內核態的切換,內存的申請,代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的,就算是函數的調用也利用棧去完成,函數調用過程中的參數,返回地址,EBP和局部變量都採用棧的方式存放。

那麼?我們應該薦儘量用棧,而不用堆嗎?並不是的。
雖然棧有很多的好處,但是由於和堆相比不是那麼靈活,且分配大量的內存空間,堆更加適合。

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