C++堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区

古城微笑少年丶 2022-04-08 11:08 334阅读 0赞

**一、一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：**   
1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。  
2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放（malloc/free, new/delete），若程序员不释放，程序结束后可能由操作系统回收。注意它与数据结构中的堆石两回事，分配方式倒是类似与链表。其中有malloc/free分配释放的也可以叫自由存储区。  
3、全局区（静态存储区）（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另一块区域。 - 程序结束后有系统释放 （在C++中他们初始化和未初始化的共同占用一块内存区）。  
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。  
  
**二、例子程序**   
这是一个前辈写的，非常详细

//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。 
    }

**三、堆和栈的理论知识**

堆和栈的区别主要有一下几点：

**2.1管理方式不同**  
stack:由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间  
heap: 需要程序员自己申请，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);  
但是注意p1、p2本身是在栈中的。  
  
**2.2 申请后系统的响应**   
栈：只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闲内存地址的链表，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，然后将该结点从空闲结点链表中删除，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语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。  
  
**2.3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，从而产生大量的碎片，使程序效率降低。  
对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是后进先出的队列，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，在它弹出之前，在它上面的后进栈的内容已经被弹出。  
  
**2.4生长方向**  
对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是想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。  
  
**2.5分配方式**  
堆是动态分配的，没有静态分配的堆。  
栈有两种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配时编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由函数alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆石不同的，它的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工是想。  
  
**2.6 分配效率**  
栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层堆栈提供支持：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，堆得效率比栈要低得多。  
  
**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），如果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。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，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，堆获得的空间比较灵活，也比较大。  
  
**2.4申请效率的比较：**  
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。  
堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.  
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，虽然用起来最不方便。但是速度快，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，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参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，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。  
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。  
  
**2.6存取效率的比较**  
char s1\[\] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  
char \*s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";  
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；  
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；  
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(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; 
       }

对应的汇编代码  
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，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。  
  
**2.7小结：**  
堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：  
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（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，他的好处是快捷，但是自由度小。  
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。  
  
1、内存分配方面：  
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 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式是类似于链表。可能用到的关键字如下：new、malloc、delete、free等等。  
栈：由编译器(Compiler)自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。  
  
2、申请方式方面：  
堆：需要程序员自己申请，并指明大小。在c中malloc函数如p1 = (char \*)malloc(10)；在C++中用new运算符，但是注意p1、p2本身是在栈中的。因为他们还是可以认为是局部变量。  
栈：由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b；系统自动在栈中为b开辟空间。  
  
3、系统响应方面：  
堆：操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，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，然后将该结点从空闲结点链表中删除，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语句才能正确的释放本内存空间。另外由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。  
栈：只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。  
  
4、大小限制方面：  
堆：是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，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，堆获得的空间比较灵活，也比较大。  
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，栈的大小是固定的（是一个编译时就确定的常数），如果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。  
  
5、效率方面：  
堆：是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来最方便，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，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。  
栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。  
  
6、存放内容方面：  
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。  
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参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈，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，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。  
  
7、存取效率方面：  
堆：char \*s1 = "Hellow Word"；是在编译时就确定的；  
栈：char s1\[\] = "Hellow Word"； 是在运行时赋值的；用数组比用指针速度要快一些，因为指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下，而数组在栈上直接读取。

转载自[https://blog.csdn.net/yiya1989/article/details/8957370][https_blog.csdn.net_yiya1989_article_details_8957370]

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