C++内存分配方式

C++内存分配方式详解

首先来看看主要有几种程序内存分配：

一个由C/C++编译程序占用内存分为以下几个部分
1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数参数值，局部变量值，返回地址等。其操作方式类似于数据结构中栈。栈内存分配运算内置于处理器指令集中，效率很高，但是分配内存容量有限。（在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。）
2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放，亦称动态内存分配。 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。程序在运行时候用malloc或new申请任意多少内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。它与数据结构中堆是两回事，分配方式类似于链表. （在 32 位系统下，堆内存可以达到4G的空间。）
3、全局区（静态区）（static）—，全局变量和静态变量存储是放在一块，初始化全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化全局变量和未初始化静态变量在相邻另一块区域。 - 程序结束后由系统释放。-->分别是data区，bbs区 
4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里。 程序结束后由系统释放-->coment区
5、程序代码区—存放函数体二进制代码。-->code区

经典实例：

#include <string>

int a=0;    //全局初始化区

char *p1;   //全局未初始化区

void 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);   //分配得来的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所向"123456\0"优化成一个地方。

}

 

 

一、堆和栈究竟有什么区别(堆和栈理论知识)？

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 =new char[10];

但是注意p1、p2本身是在栈中。

 

2.2申请后系统响应

栈：只要栈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链表，当系统收到程序申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中首地址处记录本次分配大小，这样，代码中delete语句才能正确释放本内存空间。另外，由于找到堆结点大小不一定正好等于申请大小，系统会自动将多余那部分重新放入空闲链表中。

 

2.3申请大小限制

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展数据结构，是一块连续内存区域。这句话意思是栈顶地址和栈最大容量是系统预先规定好，在WINDOWS下，栈大小是2M（也有说是1M，总之是一个编译时就确定常数），如果申请空间超过栈剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得空间较小。

堆：堆是向高地址扩展数据结构，是不连续内存区域。这是由于系统是用链表来存储空闲内存地址，自然是不连续，而链表遍历方向是由低地址向高地址。堆大小受限于计算机系统中有效虚拟内存。由此可见，堆获得空间比较灵活，也比较大。

 

2.4申请效率比较：

栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制。

堆是由new分配内存，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堆和栈中存储内容

栈： 在函数调用时，第一个进栈是主函数中后下一条指令（函数调用语句下一条可执行语句）地址，然后是函数各个参数，在大多数C编译器中，参数是由右往左入栈，然后是函数中局部变量。注意静态变量是不入栈。

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地址，也就是主函数中下一条指令，程序由该点继续运行。

堆：一般是在堆头部用一个字节存放堆大小。堆中具体内容有程序员安排。

 

为什么说在堆上分配内存比在栈上分配内存慢？

1.堆空间开辟需要用系统函数，栈上直接修改指针.
2. 堆空间管理需要系统记帐，栈上空间可以由编译器管理或是保存在某个处理器寄存器中。
3. 堆空间释放需要系统管理，栈上释放可以直接丢弃。堆空间需要通过栈上指针间接引用，所以访问会慢

栈有序
堆无序

 

二、 函数调用与堆(heap)栈(stack)

1)编译器一般使用栈来存放函数的参数，局部变量等来实现函数调用。有时候函数有嵌套调用，这个时候栈中会有多个函数的信息，每个函数占用一个连续的区域。一个函数占用的区域被称作帧（）。同时栈是线程独立的，每个线程都有自己的栈。例如下面简单的函数调用：

另外函数堆栈的清理方式决定了当函数调用结束时由调用函数或被调用函数来清理函数帧，在VC中对函数栈的清理方式由两种：

	参数传递顺序	谁负责清理参数占用的堆栈
__stdcall	从右到左	被调函数
__cdecl	从右到左	调用者

 

2) 有了上面的知识为铺垫，我们下面细看一个函数的调用时堆栈的变化：

代码如下：

 

int Add(int x, int y)

{
    

    return x + y;

}

void main()

{
    

    int *pi = new int(10);

    int *pj = new int(20);

    int result = 0;

    result = Add(*pi,*pj);

    delete pi;

    delete pj;

}

 

对上面的代码，我们分为四步，当然我们只画出了我们的代码对堆栈的影响，其他的我们假设它们不存在，哈哈!

第一，int *pi = new int(10);   int *pj = new int(20);   int result = 0; 堆栈变化如下：

第二，Add(*pi,*pj);堆栈如下(函数参数入栈：从右向左)：

第三，将Add的结果给result，堆栈如下：

第四，delete pi;    delete pj; 堆栈如下：

第五，当main()退出后，堆栈如下，等同于main执行前，哈哈！

 

 

#include

using namespace std;

int main()

{

    char p[] ="123456";

    // char s[10];     //  正常复制: 123456  -- 123456

    char s[4];     //  栈溢出(目标栈空间不够大), output: 56  -- 123456

    char *ptr = p + 3;

    strcpy(s, p);

    cout<< p << "  --  " << s << "  ---  " << ptr << endl;

    return 0;

}

 

// 栈 内存分配方式 (地址:高(左)->低(右); 数据写入方向:低(右)->高(左))

// '/0' '6' '5' '4'(ptr) '3' '2' '1'(p) '' '' '' ''(s)     // char p[] ="123456";//char s[4];

// '/0' '6' '5' '4'(ptr) '/0' '6' '5'(p) '4' '3' '2' '1'(s)            //strcpy(s, p);

// output : 56  --  123456  ---  456

// 解析：在这里我们可以知道p=s+4;  然后我们对s进行写入"123456"  s所在的四个字节不够用  所以"56"(包括后面的/0)均被写入了p地址 因此输出p将输出56

 结果讨论：

     关于栈：三个特性:

     1. 函数栈内存以一个地址即四个字节对齐。

     2. 地址从高地址到低地址分配。

     3. 数据从低位地址到高位地址写入。

 

堆的分配规则和栈不一样  堆的地址是从小到大分配的 并且连续分配的两个内存块的起始地址是肯定不同的。对于栈和堆的空闲区(未被覆盖前) 是会被默认初始化的， 栈内存初始化为CC，堆初始化为CD。

 堆中每一个内存块是被连接到一个链表上的  并且每一个空闲区都被封在一个结构体中

      这个结构体至少应该包含：

      1. 该数据块的前驱和后继

      2. 该数据块大小

      3. 数据块的界定符

      4. 数据块本身