C/C++:程序的内存分配方式
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内存分配方式，堆区，栈区，
new/delete/malloc/free
。
author: ZJ 07-11-29
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1.
内存分配方式
内存分配方式有三种：
[1]
从静态存储区域分配。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。例如全局变量，
static
变量。
[2]
在栈上创建。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自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
[3]
从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用
malloc
或
new
申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用
free
或
delete
释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。
2.
程序的内存空间
一个程序将操作系统分配给其运行的内存块分为
4
个区域，如下图所示。
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代码区
(code area)
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程序内存空间
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全局数据区
(data area)
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堆区
(heap area)
|
|
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栈区
(stack area)
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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
，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2
、堆区（
heap
）
―
一般由程序员分配释放，
若程序员不释放，程序结束时可能由
OS
回收
。分配方式类似于链表。
3
、全局区（静态区）（
static
）
―
存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后有系统释放
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（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
下面给出例子程序，
|
int
a = 0; //
全局初始化区
char
*p1; //
全局未初始化区
int
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 = new char[10];
p2 = new char[20];
//
分配得来得和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所指向的"123456"优化成一个地方。
}
|
3
．堆与栈的比较
3.1
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，
C++
中是
new
运算符。
如
p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
如
p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
但是注意
p1
、
p2
本身是在栈中的。
3.2
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。
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。
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。
3.3
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。
3.4
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，也不是栈，而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。
3.5
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。
3.6
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：
|
int
main(){
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return 0;
}
|
对应的汇编代码
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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，再根据
edx
读取字符，显然慢了。
3.7
小结
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。
4.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。
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class
Time{
public:
Time(int,int,int,string);
~Time(){
cout<<"call Time's destructor by:"<<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<<"call Time's constructor by:"<<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：
call Time's constructor by:t2
call Time's destructor by: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。