2010/10/27
关键字：C/C++中的内存区域划分
C中的内存区域划分
1. 栈 - 由编译器自动分配释放。
2. 堆 - 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。
3. 全局区（静态区），全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域，程序结束释放。
4. 另外还有一个专门放常量的地方，程序结束释放。
在函数体中定义的变量通常是在栈上，用malloc、calloc、realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。在所有函数体外定义的是全局变量，加了static修饰符后不管在哪里都存放在全局区（静态区），在所有函数体外定义的static变量表示在该文件中有效，不能extern到别的文件用，在函数体内定义的static表示只在该函数体内有效。另外，函数中的"123456"这样的字符串存放在常量区。
#include <stdlib.h> //malloc、alloca
#include <string> //strcpy
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
int main()
{
int b; //栈
char s[] = "abc"; //s和"abc"都在栈上
char *p2; //栈
char *p3 = "123456"; //123456在常量区，p3在栈上
static int c = 0; //全局（静态）初始化区
p1 = (char *)malloc(10);//在自由存储区上动态分配个字节,free释放
//realloc相同
p2 = (char *)alloca(20);//在栈上动态分配个字节,编译器会自动释放
char *p3 = new char[30];//在堆上动态分配个字节,delete []p3释放
strcpy(p1, "123456"); //123456放在常量区,编译器可能会将它与p3所指
//向的"123456"优化成一块
return 0;
}
C++中的内存区域划分
1. 栈，就是那些由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。
2. 堆，就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete.如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。
3. 自由存储区，就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。
4. 全局/静态存储区，全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。
5. 常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改（当然，你要通过非正当手段也可以修改）
堆与栈的关系与区别
具体地说，现代计算机（串行执行机制），都直接在代码底层支持栈的数据结构。这体现在，有专门的寄存器指向栈所在的地址，有专门的机器指令完成数据入栈出栈的操作。这种机制的特点是效率高，支持的数据有限，一般是整数，指针，浮点数等系统直接支持的数据类型，并不直接支持其他的数据结构。因为栈的这种特点，对栈的使用在程序中是非常频繁的。对子程序的调用就是直接利用栈完成的。机器的call指令里隐含了把返回地址推入栈，然后跳转至子程序地址的操作，而子程序中的ret指令则隐含从堆栈中弹出返回地址并跳转之的操作。C/C++中的自动变量是直接利用栈的例子，这也就是为什么当函数返回时，该函数的自动变量自动失效的原因。
和栈不同，堆的数据结构并不是由系统（无论是机器系统还是操作系统）支持的，而是由函数库提供的。基本的malloc/realloc/free 函数维护了一套内部的堆数据结构。当程序使用这些函数去获得新的内存空间时，这套函数首先试图从内部堆中寻找可用的内存空间，如果没有可以使用的内存空间，则试图利用系统调用来动态增加程序数据段的内存大小，新分配得到的空间首先被组织进内部堆中去，然后再以适当的形式返回给调用者。当程序释放分配的内存空间时，这片内存空间被返回内部堆结构中，可能会被适当的处理（比如和其他空闲空间合并成更大的空闲空间），以更适合下一次内存分配申请。这套复杂的分配机制实际上相当于一个内存分配的缓冲池（Cache），使用这套机制有如下若干原因：
1. 系统调用可能不支持任意大小的内存分配。有些系统的系统调用只支持固定大小及其倍数的内存请求（按页分配）；这样的话对于大量的小内存分类来说会造成浪费。
2. 系统调用申请内存可能是代价昂贵的。系统调用可能涉及用户态和核心态的转换。
3. 没有管理的内存分配在大量复杂内存的分配释放操作下很容易造成内存碎片。
堆和栈的对比
从以上知识可知，栈是系统提供的功能，特点是快速高效，缺点是有限制，数据不灵活；而栈是函数库提供的功能，特点是灵活方便，数据适应面广泛，但是效率有一定降低。栈是系统数据结构，对于进程/线程是唯一的；堆是函数库内部数据结构，不一定唯一。不同堆分配的内存无法互相操作。栈空间分静态分配和动态分配两种。静态分配是编译器完成的，比如自动变量（auto）的分配。动态分配由alloca函数完成。栈的动态分配无需释放（是自动的），也就没有释放函数。为可移植的程序起见，栈的动态分配操作是不被鼓励的！堆空间的分配总是动态的，虽然程序结束时所有的数据空间都会被释放回系统，但是精确的申请内存/ 释放内存匹配是良好程序的基本要素。
1. 碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。
2. 生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。
3. 分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
4. 分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。
堆和栈的区别
1. 管理方式不同
管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak.
2. 空间大小不同
空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：打开工程，依次操作菜单如下：ProjectàSettingàLink，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit.注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。
3. 能否产生碎片不同
堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。
4. 生长方向不同
5. 分配方式不同
6. 分配效率不同
new/delete
基本类型的对象没有析构函数（例如 int、char），所以回收基本类型组成的数组空间 delete delete[] 都是应该可以。如int p = new int[10]， delete p 和delete[]p 都可。但是对于类对象数组（如string strArr = new string[10]），只能 delete [].对 new 的单个对象，只能 delete 不能 delete[] 回收空间。
明天继续学习new/delete。