c++和c程序的内存分派

一：基本知识

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。

1.堆区（heap）—就是那些由malloc 或 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，malloc对应free。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。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

2.栈区（stack）—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除的变量的存储区。由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值，还保存了调用函数的返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
    3.全局区（静态区）（static）—存储全局变量，和静态变量static声明的变量,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。  程序结束后由系统释放。

4.常量存储区：存储常量，如char *s="abcde"; 或者 const int i =10.程序结束释放

5.程序代码区存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

 

【自由存储区，这应该是一个运行时存在的堆。就是那些由malloc等分配的内存块，它和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。  ——严格的说，栈也是属于自由储存区，在中、小模式下，自由存储区包括栈、近堆和远堆，其中栈和近堆共用一片区域（它们一般和一个代码段在一起构成64K），两者生长的方向相反（所以可能会相交产生错误），在大数据存储模式下（如large,huge,   compact)，已无近堆概念，只有远堆，楼上已经提及。】  
   
  另外，自由存储区的大小可以在编译时指定，比如在TC3环境下，默认大小是64K。  
   
  这样，考虑一个较小的程序（假如代码段只有10K），在小内存模式下，另64-10=54K用于近堆和栈，而远堆大小仅为   （默认自由区大小64K）-54K=10K，   （可以看出远堆并不一定很大）。我曾经在小内在模式下使用farmalloc,   但分配经常失败，就是这个原因。（改默认为128K就OK了）  

 

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"adgfdf"这样的字符串存放在常量区。
　　例子:
　　#include <iostream>
　　using namespace std;
　　int global = 100; //全局/静态区
　　const int N = 10; //常量区
　　int main()
　　{
　　  static int a = 0; //全局/静态区
　　  char arr[100]=\"test\";//arr分配在栈上，\"test\"分配到常量区，还有一个副本在栈上
　　  char *s = \"abcde\";//s分配在栈上，\"abcde\"分配在常量区
　　  char*str = NULL; //str分配在栈上
　　  str = new char[10];//str所指向的空间分配在堆上
　　  delete []str;
　　  return 0;
　　}

 

二：堆和栈的理论知识

2.1申请方式
栈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 。

堆heap:
需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc（）函数
如char* p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符
如char* p2 = new char[10];  

但是注意p1、p2本身是在栈中的。另外，记得在用new申请内存后，不用时用delete []p2删除，不然，对系统会造成影响！用malloc分配的内存只能用free删除.  

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（也可能是1M，它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[] = \"a\";

char *s2 = \"b\";

a 是在运行时刻赋值的；而 b 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：
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。

堆和栈的主要区别由以下几点：

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 。当然，这个值可以修改。

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。

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 malloca 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。

 

三.new/delete 与 malloc/free 比较

从 C++ 角度上说，使用 new 分配堆空间可以调用类的构造函数，而 malloc() 函数仅仅是一个函数调用，它不会调用构造函数，它所接受的参数是一个 unsigned long 类型。同样， delete 在释放堆空间之前会调用析构函数，而 free 函数则不会。

class Time{

public:

    Time(int,int,int,string);

    ~Time(){

       cout<<“destructor of: "<<name<<endl;

    }

private:

    int hour;

    int min;

    int sec;

    string name;

};

Time::Time(int h,int m,int s,string n){

hour=h;

min=m;

sec=s;

name=n;

cout<<"constructor of: "<<name<<endl;

}

int main(){

Time *t1;

t1=(Time*)malloc(sizeof(Time));

free(t1);

Time *t2;

t2=new Time(0,0,0,\"t2\");

delete t2;

system(\"PAUSE\");

return EXIT_SUCCESS;

}

 

结果：

constructor of: t2

destructor of: t2

从结果可以看出，使用 new/delete 可以调用对象的构造函数与析构函数，并且示例中调用的是一个非默认构造函数。但在堆上分配对象数组时，只能调用默认构造函数，不能调用其他任何构造函数