C和C++程序的内存分配机制

程序的内存分配

一:C语言中的内存机制

在C语言中,内存主要分为如下5个存储区:

(1)栈(Stack):位于函数内的局部变量(包括函数实参),由编译器负责分配释放,函数结束,栈变量失效。

(2)堆(Heap):由程序员用malloc/calloc/realloc分配,free释放。如果程序员忘记free了,则会造成内存泄露,程序结束时该片内存会由OS回收。

(3)全局区/静态区(Global Static Area): 全局变量和静态变量存放区,程序一经编译好,该区域便存在。并且在C语言中初始化的全局变量和静态变量和未初始化的放在相邻的两个区域(在C++中,由于全局变量和静态变量编译器会给这些变量自动初始化赋值,所以没有区分了)。由于全局变量一直占据内存空间且不易维护,推荐少用。程序结束时释放。

(4)C风格字符串常量存储区: 专门存放字符串常量的地方,程序结束时释放。

(5)程序代码区:存放程序二进制代码的区域。


堆和栈的区别

  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中用malloc函数,如p1=(char)malloc(10);
    在C++中用new运算符,如p2=(char)new(10);
    但是注意p1、p2本身是在栈中的

  1. 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。

  1. 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。
  1. 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Virtual Alloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。

  1. 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。堆中的具体内容由程序员安排。

  1. 碎片问题

    对于堆来讲,频繁的new/delete等操作势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序的效率降低;对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是后进先出(LIFO)的队列。

  2. 生长方向

    堆的生长方向是向上的,也就是向这内存地址增加的方向;对于栈来讲,生长方向却是向下的,是向着内存地址减少的方向增长。

  3. 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。

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