C/C++——程序的内存分配

C/C++程序内存分配

一、预备知识—程序的内存分配

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为下面几个部分

1、栈区（stack）：由编译器自己主动分配释放 ，存放函数的參数值，局部变量的值等。其操作方式相似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap）： 一般由程序猿分配释放， 若程序猿不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事。分配方式倒是相似于链表，呵呵。

3、全局区（静态区）（static）：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还有一块区域。 - 程序结束后有系统释放

4、文字常量区 ：常量(字符串)就是放在这里的。 程序结束后由系统释放

5、程序代码区：存放函数体的二进制代码。

//样例程序//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区
char *p1;  //全局未初始化区
main()
{
 int b;    //栈
 char s[] = "abc"; //栈
 char *p2; //栈
 char *p3 = "123456";  // 123456\0在常量区，p3在栈上。
 static int c =0。     // 全局（静态）初始化区
 p1 = (char *)malloc(10);
 p2 = (char *)malloc(20);     // 分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
 strcpy(p1, "123456");        // 123456\0放在常量区。编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方
 }

二、堆和栈的理论知识

2.1申请方式

stack:由系统自己主动分配。 比如。声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自己主动在栈中为b开辟空间

heap:须要程序猿自己申请，并指明大小。在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new运算符如p2 = (char *)malloc(10);可是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.2申请后系统的响应

栈：仅仅要栈的剩余空间大于所申请空间。系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

堆：首先应该知道操作系统有一个记录空暇内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空暇结点链表中删除。并将该结点的空间分配给程序，另外，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，代码中的delete语句才干正确的释放本内存空间。另外，因为找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小。系统会自己主动的将多余的那部分又一次放入空暇链表中。

2.3申请大小的限制

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构。是一块连续的内存的区域。

这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），假设申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

堆：堆是向高地址扩展的数据结构。是不连续的内存区域。这是因为系统是用链表来存储的空暇内存地址的，自然是不连续的。而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比較灵活，也比較大。

2.4申请效率的比較：

栈由系统自己主动分配，速度较快。但程序猿是无法控制的。

堆是由new分配的内存，一般速度比較慢，并且easy产生内存碎片,只是用起来最方便.

另外，在WINDOWS下。最好的方式是用VirtualAlloc分配内存。他不是在堆。也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，尽管用起来最不方便。可是速度快，也最灵活

2.5堆和栈中的存储内容

栈： 在函数调用时。第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个參数，在大多数的C编译器中，參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。然后是參数，最后栈顶指针指向最開始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续执行。

堆：通常是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的详细内容有程序猿安排.

2.6存取效率的比較

char s1[] = “aaaaaaaaaaaaaaa”; char *s2 = “bbbbbbbbbbbbbbbbb”;

aaaaaaaaaaa是在执行时刻赋值的；而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；可是。在以后的存取中。在栈上的数组比指针所指向的字符串(比如堆)快。

比方：

void main()

{char a = 1;

char c[] = “1234567890”;

char *p =”1234567890”;

a = c[1];

a = p[1];

return;

}

相应的汇编代码

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

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中。而另外一种则要先把指针值读到edx中，在依据edx读取字符，显然慢了。

2.7小结：

堆和栈的差别能够用例如以下的比喻来看出：

使用栈就象我们去饭馆里吃饭，仅仅管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走。不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的优点是快捷，可是自由度小。

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比較麻烦。可是比較符合自己的口味，并且自由度大。

堆和栈的差别主要分：操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些。不多说了。

还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构。第1个元素有最高的优先权。栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。

尽管堆栈，堆栈的说法是连起来叫，可是他们还是有非常大差别的，连着叫仅仅是因为历史的原因。

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堆(heap)和栈(stack)是C/C++编程不可避免会碰到的两个基本概念。

首先，这两个概念都能够在讲数据结构的书中找到。他们都是主要的数据结构，尽管栈更为简单一些。

在详细的C/C++编程框架中，这两个概念并非并行的。对底层机器代码的研究能够揭示。栈是机器系统提供的数据结构，而堆则是C/C++函数库提供的。

详细地说。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。这体如今。有专门的寄存器指向栈所在的地址，有专门的机器指令完毕数据入栈出栈的操作。这样的机制的特点是效率高，支持的数据有限，通常是整数，指针。浮点数等系统直接支持的数据类型。并不直接支持其它的数据结构。

因为栈的这样的特点，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毕的。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++中的自己主动变量是直接利用栈的样例，这也就是为什么当函数返回时，该函数的自己主动变量自己主动失效的原因(因为堆栈恢复了调用前的状态)。

和栈不同，堆的数据结构并非由系统(不管是机器系统还是操作系统)支持的，而是由函数库提供的。主要的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，假设没有能够使用的内存空间，则试图利用系统调用来动态添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(比方和其它空暇空间合并成更大的空暇空间)。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)。使用这套机制有例如以下若干原因：

1. 系统调用可能不支持随意大小的内存分配。

有些系统的系统调用仅仅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非常easy造成内存碎片。

堆和栈的对照

从以上知识可知，栈是系统提供的功能，特点是高速高效。缺点是有限制，数据不灵活；而堆是函数库提供的功能。特点是灵活方便，数据适应面广泛，可是效率有一定减少。

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。

不同堆分配的内存逻辑上无法互相操作。栈空间分静态分配和动态分配两种。静态分配是编译器完毕的，比方自己主动变量(auto)的分配。动态分配由alloca函数完毕。栈的动态分配无需释放(是自己主动的)。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舞的！堆空间的分配总是动态的。尽管程序结束时全部的数据空间都会被释放回系统，可是精确的申请内存/释放内存匹配是良好程序的基本要素