C/C++: 内存区域的划分

一.简介

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。是由编译器自动分配和释放的，即在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元将被自动释放。需要注意的是，栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，它的运行效率一般很高，但是分配的内存容量有限。
　2、堆区（heap）
  也被称为动态内存分配，它是由程序员手动完成申请和释放的，程序结束时可能由OS回收 。与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。 即程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数（如 malloc 函数）来申请任意多少的内存，使用完之后再由程序员自己负责使用内存释放函数（如 free 函数）来释放内存。也就是说，动态内存的整个生存期是由程序员自己决定的，使用非常灵活。需要注意的是，如果在堆上分配了内存空间，就必须及时释放它，否则将会导致运行的程序出现内存泄漏等错误。
　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（全局变量就是采取静态存储方式的），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。分配是由编译器自动分配和释放的，即内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在，直到整个程序运行结束时才被释放，如全局变量与 static 变量。
　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。
代码实例

1.	//main.cpp    
2.	  int   a   =   0;  //全局初始化区    
3.	  char   *p1;   //全局未初始化区    
4.	  main()    
5.	  {    
6.	  int   b;   //栈    
7.	  char   s[]   =   "abc";   //栈    
8.	  char   *p2;   //栈    
9.	  char   *p3   =   "123456";  // 123456/0在常量区，p3在栈上。    
10.	  static   int   c   =0；  // 全局（静态）初始化区    
11.	  p1   =   (char   *)malloc(10);    
12.	  p2   =   (char   *)malloc(20);    
13.	  //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 
14.	　strcpy(p1,   "123456");   //123456/0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。    
15.	  }    

这里可以看到一点的是，一个指针，如果我们是程序员自己申请的话，就存储在堆区，如果是系统分配的话就存储在栈区

二.堆和栈的理论知识

１、申请方式

  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
  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
　　　  如p2 = new char[10];
　　　  但是注意p1、p2本身是在栈中的。
   需要补充的一些细节是：栈内存是由编译器自动分配与释放的，它其实有两种分配方式：静态分配和动态分配。
  静态分配是由编译器自动完成的，如局部变量的分配（即在一个函数中声明一个 int 类型的变量i时，编译器就会自动开辟一块内存以存放变量 i）。与此同时，其生存周期也只在函数的运行过程中，在运行后就释放，并不可以再次访问。
  动态分配由 alloca 函数进行分配，但是栈的动态分配与堆是不同的，它的动态分配是由编译器进行释放，无需任何手工实现。值得注意的是，虽然用 alloca 函数可以实现栈内存的动态分配，但 alloca 函数的可移植性很差，而且在没有传统堆栈的机器上很难实现。因此，不宜使用于广泛移植的程序中。当然，完全可以使用 C99 中的变长数组来替代 alloca 函数。
  而堆内存则不相同，它完全是由程序员手动申请与释放的，程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数（如 malloc 函数）来申请任意多少的内存，使用完再由程序员自己负责使用内存释放函数（如 free 函数）释放内存，如下面的代码所示：

/*分配堆内存*/
char  *p1 = (char *)malloc(4);
… …
/*释放堆内存*/
free(p1);
p1=NULL;

对栈内存的自动释放而言，虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问，但是，如果一旦忘记了释放堆内存，那么将会造成内存泄漏，导致程序出现致命的潜在错误。

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。

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。

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块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。
  理论上分析大家都知道，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，例如，分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的执行指令，这就决定了栈的效率比较高。一般而言，只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统就将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
  而堆则不同，它是由 C/C++ 函数库提供的，它的机制也相当复杂。例如，为了分配一块堆内存，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节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节点的空间分配给程序。而对于大多数系统，会在这块内存空间的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的 delete 语句才能正确释放本内存空间。另外，由于找到的堆节点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动将多余的那部分重新放入空闲链表中。很显然，堆的分配效率比栈要低得多。

5 、申请碎片的问题

   对堆来说，频繁分配和释放（malloc / free）不同大小的堆空间势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量碎片，导致程序效率降低；而对栈来讲，则不会存在这个问题。

6、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。
实例：

void f(int i)
{
    printf("%d,%d,%d,%d\n", i, i++, i++, i++);
}
int main(void)
{
    int i = 1;
    f(i);
    return 0;
}

  由于栈的“先进后出”规则，所以程序最后的输出结果是“4，3，2，1”。

7、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    
2.	  void   main()    
3.	  {    
4.	  char   a   =   1;    
5.	  char   c[]   =   "1234567890";    
6.	  char   *p   ="1234567890";    
7.	  a   =   c[1];    
8.	  a   =   p[1];    
9.	  return;    
10.	  }    

  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  
　　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，再根据edx读取字符，显然慢了。

二者比较

#include 
#include 
int main(void)
{
    /*在栈上分配*/
    int  i1=0;
    int  i2=0;
    int  i3=0;
    int  i4=0;
    printf("栈：向下\n");
    printf("i1=0x%08x\n",&i1);
    printf("i2=0x%08x\n",&i2);
    printf("i3=0x%08x\n",&i3);
    printf("i4=0x%08x\n\n",&i4);
     printf("--------------------\n\n");
    /*在堆上分配*/
    char  *p1 = (char *)malloc(4);
    char  *p2 = (char *)malloc(4);
    char  *p3 = (char *)malloc(4);
    char  *p4 = (char *)malloc(4);
    printf("p1=0x%08x\n",p1);
    printf("p2=0x%08x\n",p2);
    printf("p3=0x%08x\n",p3);
    printf("p4=0x%08x\n",p4);
    printf("堆：向上\n\n");
    /*释放堆内存*/
    free(p1);
    p1=NULL;
    free(p2);
    p2=NULL;
    free(p3);
    p3=NULL;
    free(p4);
    p4=NULL;
    return 0;
}

  该示例代码主要演示了在内存分配中的堆和栈的区别，其运行结果为：

  栈：向下
  i1=0x0060fefc
  i2=0x0060fef8
  i3=0x0060fef4
  i4=0x0060fef0

---

  p1=0x00bd14e0
  p2=0x00bd3148
  p3=0x00bd3158
  p4=0x00bd3168
  堆：向上

  从运行结果中不难发现，内存中的栈区主要用于分配局部变量空间，处于相对较高的地址，其栈地址是向下增长的；而堆区则主要用于分配程序员申请的内存空间，堆地址是向上增长的。

三.各类型变量的存储位置和作用域。

  最后介绍一下 C 语言中各类型变量的存储位置和作用域。
  全局变量。从静态存储区域分配，其作用域是全局作用域，也就是整个程序的生命周期内都可以使用。与此同时，如果程序是由多个源文件构成的，那么全局变量只要在一个文件中定义，就可以在其他所有的文件中使用，但必须在其他文件中通过使用extern关键字来声明该全局变量。
  全局静态变量。从静态存储区域分配，其生命周期也是与整个程序同在的，从程序开始到结束一直起作用。但是与全局变量不同的是，全局静态变量作用域只在定义它的一个源文件内，其他源文件不能使用。
  局部变量。从栈上分配，其作用域只是在局部函数内，在定义该变量的函数内，只要出了该函数，该局部变量就不再起作用，该变量的生命周期也只是和该函数同在。
  局部静态变量。从静态存储区域分配，其在第一次初始化后就一直存在直到程序结束，该变量的特点是其作用域只在定义它的函数内可见，出了该函数就不可见了。