c/c++內存分配(棧與堆的區別)

一、在C++中,內存分成5個區,他們分別是堆、棧、自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區。

1.棧,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楚的變量的存儲區。裏面的變量通常是局部變量、函數參數等
2.堆,就是那些由new分配的內存塊,他們的釋放編譯器不去管,由我們的應用程序去控制,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
3.自由存儲區,就是那些由malloc等分配的內存塊,他和堆是十分相似的,不過它是用free來結束自己的生命的。
4.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。
5.常量存儲區,這是一塊比較特殊的存儲區,他們裏面存放的是常量,不允許修改 例如:const 定義的變量(當然,你要通過非正當手段也可以修改)
                                                                                                                                             
在所有函數體外定義的是全局量,加了static修飾符後不管在哪裏都存放在全局區(靜態區),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,在函數體內定義的static表示只在該函數體內有效。另外,函數中的"adgfdf"這樣的字符串存放在常量區。比如:
代碼:
int a = 0; //全局初始化區
char *p1; //全局未初始化區
main()
{
int b; //棧
char s[] = "abc"; //棧
char *p2; //棧
char *p3 = "123456";//123456{post.content}在常量區,p3在棧上。
static int c = 0; //全局(靜態)初始化區
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
//分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
strcpy(p1, "123456");
//123456{post.content}放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一塊。
}
                                                                                                                                           
二、現在來談談堆與棧的關係與區別:
具體地說,現代計算機(串行執行機制),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,浮點數等系統直接支持的數據類型,並不直接支持其他的數據結構。因爲棧的這種特>點,對棧的使用在程序中是非常頻繁的。對子程序的調用就是直接利用棧完成的。機器的call指令裏隱含了把返回地址推入棧,然後跳轉至子程序地址的操作,而>子程序中的ret指令則隱含從堆棧中彈出返回地址並跳轉之的操作。C/C++中的自動變量是直接利用棧的例子,這也就是爲什麼當函數返回時,該函數的自動變量自>動失效的原因。

和棧不同,堆的數據結構並不是由系統(無論是機器系統還是操作系統)支持的,而是由函數庫提供的。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(比如和其他空閒空間合併成更大的空閒空間),以更適合下一次內存分配申請。這套複雜的分配機制實際上相當於一個內>存分配的緩衝池(Cache),使用這套機制有如下若干原因:
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來說會造成浪費。
2. 系統調用申請內存可能是代價昂貴的。系統調用可能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操作下很容易造成內存碎片。

堆和棧的對比:

  1.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,在他彈出之前,在他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。
  2.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。
  3.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,他的動態分配是由編譯器進行釋放,無需我們手工實現。

  4.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。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。


 5、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memoryleak

  

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,所以我決定拿他第一個開刀。
   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?他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operatornew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?澳,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?

另外對存取效率的比較:
代碼:
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的;
而bbbbbbbbbbb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:
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}
對應的彙編代碼
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
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,在根據edx讀取字符,顯然慢了.
  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,產生以想不到的結果,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,編寫穩定安全的代碼纔是最重要的:)
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