明晰C++內存分配的五種方法的區別

 ,就是那些由編譯器在需要的時候分配,在不需要的時候自動清除的變量的存儲區。裏面的變量通常是局部變量、函數參數等。 


  ,就是那些由new分配的內存塊,它們的釋放編譯器不管,而是由程序員自己去控制,一般一個new就要對應一個delete。如果程序員沒有釋放掉,那麼在程序結束後,操作系統會自動回收。 

  自由存儲區,就是那些由malloc等分配的內存塊,它和堆是十分相似的,不過它是用free來結束自己的生命的。 

  全局/靜態存儲區,全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中,在以前的C語言中,全局變量又分爲初始化的和未初始化的,在C++裏面沒有這個區分了,他們共同佔用同一塊內存區。 

  常量存儲區,這是一塊比較特殊的存儲區,它們裏面存放的是常量,不允許修改(當然,你要通過非正當手段也可以修改,而且方法很多,在《const的思考》一文中,我給出了6種方法) 

明確區分堆與棧 

在bbs上,堆與棧的區分問題,似乎是一個永恆的話題,由此可見,初學者對此往往是混淆不清的,所以我決定拿它第一個開刀。 

首先,我們舉一個例子: 

void f() {

int* p=new int[5];



這條短短的一句話就包含了堆與棧,看到new,我們首先就應該想到,我們分配了一塊堆內存,那麼指針p呢?它分配的是一塊棧內存,所以這句話的意思就是:在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。

        在程序會先確定在堆中分配內存的大小,然後調用operator new分配內存,然後返回這塊內存的首地址,放入棧中,他在VC6下的彙編代碼如下: 

00401028 push 14h 
0040102A call operator new (00401060) 
0040102F add esp,4 
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax 
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8] 
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax
 

這裏,我們爲了簡單並沒有釋放內存,那麼該怎麼去釋放呢?是delete p麼?錯了,應該是delete []p,這是爲了告訴編譯器:我刪除的是一個數組,VC6就會根據相應的Cookie信息去進行釋放內存的工作。 

好了,我們回到我們的主題:堆和棧究竟有什麼區別? 

主要的區別由以下幾點: 

1、管理方式不同; 

2、空間大小不同; 

3、能否產生碎片不同; 

4、生長方向不同; 

5、分配方式不同; 

6、分配效率不同; 

管理方式:對於棧來講,是由編譯器自動管理,無需我們手工控制;對於堆來說,釋放工作由程序員控制,容易產生memory leak。 

空間大小:一般來講在32位系統下,堆內存可以達到4G的空間,從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講,一般都是有一定的空間大小的,例如,在VC6下面,默認的棧空間大小是1M(好像是,記不清楚了)。當然,我們可以修改: 

打開工程,依次操作菜單如下:Project->Setting->Link,在Category 中選中Output,然後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。 

注意:Reserve最小值爲4Byte;commit是保留在虛擬內存的頁文件裏面,它設置的較大會使棧開闢較大的值,可能增加內存的開銷和啓動時間。 

碎片問題:對於堆來講,頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續,從而造成大量的碎片,使程序效率降低。對於棧來講,則不會存在這個問題,因爲棧是先進後出的隊列,他們是如此的一一對應,以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出,在它彈出之前,在它上面的後進的棧內容已經被彈出,詳細的可以參考數據結構,這裏我們就不再一一討論了。 

生長方向對於堆來講,生長方向是向上的,也就是向着內存地址增加的方向;對於棧來講,它的生長方向是向下的,是向着內存地址減小的方向增長。 

分配方式:堆都是動態分配的,沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式:靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的,比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配,但是棧的動態分配和堆是不同的,它的動態分配是由編譯器進行釋放,不需要我們手工實現。 

分配效率:棧是機器系統提供的數據結構,計算機會在底層對棧提供支持:分配專門的寄存器存放棧的地址,壓棧出棧都有專門的指令執行,這就決定了棧的效率比較高(我的註釋:關於EBP寄存器請參考另一篇文章)。

        堆則是C/C++函數庫提供的,它的機制是很複雜的,例如爲了分配一塊內存,庫函數會按照一定的算法(具體的算法可以參考數據結構/操作系統)在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間,如果沒有足夠大小的空間(可能是由於內存碎片太多),就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間,這樣就有機會分到足夠大小的內存,然後進行返回。顯然,堆的效率比棧要低得多。

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核心態的切換,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。所以,我們推薦大家儘量用棧,而不是用堆。 

雖然棧有如此衆多的好處,但是由於和堆相比不是那麼靈活,有時候分配大量的內存空間,還是用堆好一些。 

無論是堆還是棧,都要防止越界現象的發生(除非你是故意使其越界),因爲越界的結果要麼是程序崩潰,要麼是摧毀程序的堆、棧結構,產生意想不到的結果,就算是在你的程序運行過程中,沒有發生上面的問題,你還是要小心,說不定什麼時候就崩掉,那時候debug可是相當困難的:)

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