【编程基础】堆空间与栈空间

在 C 语言中，内存分布的部分情况如下图所示：

有些部分并没有在图中表示出来，实际上内存分布的功能划分从高地址到低地址依次是：

• 内核空间：应用程序不允许访问的部分，只能由内核进行操作，操作系统的内核程序映射到这个区域。
• 栈空间：保存局部变量。
• 文件映射区：进程打开文件后，将文件内容从硬盘读到进程的文件映射区，以后就直接在内存中操作这个文件，读写完成后保存时，再将内存中的文件写入硬盘中。
• 堆空间：运行时使用，常用 malloc( ) / free( ) 或者 new( ) / delete( )。
• 全局的数据空间：包括 data 段和 bss 段
  • data 段：保存初始化为非 0 的全局变量、static 修饰的局部变量。
  • bss 段：保存未初始化或者初始化为 0 的全局变量，static 修饰的局部变量。
• 只读数据段（rodata）：又称文字常量区。用于存储常量数据，例如常量字符串”Hello world"。
• 代码段：又称程序代码区。存放只读代码、函数等。

当一个局部变量用 static 进行修饰时，作用范围还是在当前函数内部，但是在函数释放后，并没有释放，该变量将进入静态数据段中的全局数据空间。

与存储相关的关键字声明包括：

• auto：修饰局部变量，默认不写，分配在栈上，不初始化则为随机值（该地址原有的值）。

• static：形成静态局部变量或者静态全局变量，存储在全局数据空间。

  • static + 函数：限定函数作用域，只有在本文件内可调用，在别的文件里不可见。
  • static + 局部变量：限定声明周期，所在函数释放后该变量的作用域不释放，其值仍在内存空间中维持。
  • static + 全局变量：限定作用域，只有在本文件内可访问，在别的文件里不可见。

• register：编译器会尽量将修饰的变量分配在寄存器中，变为寄存器变量，提高访问效率。

• extern：修饰全局变量，可实现跨文件访问。

• volatile：修饰可能会被意想不到改变的变量，编译器不会去优化这个变量的值，在获取变量值时，不再是直接使用保存在寄存器里的备份，而是以某种形式重新读取正确的值。常见的使用场景有：

  • 某些硬件（状态寄存器）改变变量的值；
  • 中断子程序访问到的非自动变量（non-auto variables）；
  • 多线程应用中被共享的变量。

结合以上的介绍，在文件水平上，数据的连接属性有三种：

• 无连接：所有的局部变量。
• 内连接：static 修饰的函数、全局变量
• 外连接：extern 修饰的函数、局部变量

堆空间

堆空间用于存储和动态分配的内存块，一般由程序员负责分配和释放空间，使用 malloc( ) / free( ) 或者 new( ) / delete( )。如果程序员没有释放内存空间的话，程序结束时系统会进行回收，但也有可能会产生内存泄露。

堆在不断地分配和释放空间的过程中，可用的内存空间更新频繁，这就会造成内存空间逐渐碎片化，留下大量较小的可用空间。

堆空间理论上的大小有几 G 的空间，生长方式是向上的，也就是向着内存地址增大的方向消耗空间。虽然堆空间的内存地址生长方向是向上的，但是后申请的内存空间并不一定在先申请的内存空间的后面，因为堆空间的内存块是动态分配的，后申请的内存空间也有可能是由之前申请的内存空间释放后得到的。

堆空间通过函数动态获取空间，涉及到可用空间链表的扫描和调整，以及相邻可用空间的合并等操作，效率相对较低。其空间分配方式类似于数据结构的链表。在操作系统中有一个记录空闲内存的链表，当系统收到程序申请时，会遍历该链表，寻找第一个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。对于大多数系统而言，会在这块内存空间的首地址处记录下本次分配的大小，通过这种方式，执行 delete 代码时才能正确释放该内存空间。由于找到的堆结点的大小并不一定刚好等于申请的大小，系统会自动将多余的部分重新放入堆空间链表中。

栈空间

栈空间用于存储函数参数和局部变量，包括各种基本类型的变量和对象的引用变量。所需空间由系统自动分配，回收也由系统管理，不需要人为干预。栈中存储数据的生命周期随着函数的执行完成而结束。

栈空间在使用时，遵循后进先出的原则，可用空间永远都是一块连续的内存空间，栈顶和栈的最大容量都是系统预先规定好的。只要栈的剩余空间大于所需要分配的内存空间，那么系统将为程序提供内存，否则将会报异常提示栈溢出。

栈空间默认只有几 M 的空间，生长方式是向下的，也就是向着内存地址减小的方向消耗空间。

栈空间有计算机底层的支持，压栈和出栈都有专门的指令，效率较高。

堆与栈对比

区别方面	堆空间	栈空间
管理方式	程序员手动申请和释放内存空间，程序结束时系统可进行回收，但容易产生内存泄露。	操作系统自动分配和释放内存空间。
空间大小	几个 G。	一般只有 8 - 10 M。
生长方向	向上，内存地址由低到高。	向下，内存地址由高到低。
分配方式	动态分配，如 malloc 函数，需要手动释放内存。	静态分配、动态分配。局部变量的分配属于静态分配，由操作系统完成；动态分配由操作系统进行释放，不需要手动释放。
分配效率	效率低，内存申请与管理机制比较复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。	效率高，分配过程由操作系统自动分配，硬件提供支持，分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈和出栈都有专门的指令。

实际应用环境

• 当在一段代码中定义一个变量时，系统就会在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后，会自动释放掉这部分内存空间，该内存空间可以立即分配给新的变量。

• 当程序员 new 一个对象时（引用对象），在堆空间中会进行对象初始化空间的分配，如成员变量、成员方法等；在栈空间中保留一个该对象的引用地址。

• 数组从栈中分配空间，链表从堆中分配空间

• 有时候需要分配大量内存空间的时候，仍然需要优先使用堆。