内存分配——栈、堆、静态区、符号区等等

本是古典何须时尚 2024-04-19 13:44 91阅读 0赞

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** ， 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，分配方式倒是类似于链表**。  
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另一块区域(BSS)**。 - **程序结束后由系统释放**  
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**。

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。  
\}

二、堆和栈的理论知识  
2.1申请方式  
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。

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在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。   
  
 　　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。   
  
 　　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。   
  
 　　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。   
  
 　　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。   
  
 　　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，而且方法很多，在《const的思考》一文中，我给出了6种方法）   
  
 　　明确区分堆与栈   
  
 　　在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。   
  
 　　首先，我们举一个例子：   
  
void f() \{ int\* p=new int\[5\]; \}   
  
 　　这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：   
  
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   
  
 　　这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？澳，错了，应该是delete \[\]p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。   
  
 　　好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？   
  
 　　主要的区别由以下几点：   
  
 　　1、管理方式不同；   
  
 　　2、空间大小不同；   
  
 　　3、能否产生碎片不同；   
  
 　　4、生长方向不同；   
  
 　　5、分配方式不同；   
  
 　　6、分配效率不同；   
  
 　　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。   
  
 　　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：Project->Setting->Link，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。   
  
 　　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。   
  
 　　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。   
  
 　　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。   
  
 　　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。   
  
 　　从这里我们可以看到，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。   
  
 　　虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。   
  
 　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的：）

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