C++程序内存分配详解

1. 硬盘中的结构——程序

首先在Linux下查看一下test文件的信息：

[root@localhost Ctest]# file test //此文件基本情况
test: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV),
for GNU/Linux 2.2.5, dynamically linked (uses shared libs), not stripped
[root@localhost Ctest]# size test //此二进制可执行文件结构情况

text data bss dec hex filename
906 284 4 1194 4aa test

//代码区静态数据/全局初始化数据区　未初始化数据区　十进制总和　十六进制总和 文件名

此可执行程序在存储时（没有调入到内存）分为代码区（text）、数据区（data）和未初始化数据区（bss）3个部分。

2. 内存中的结构——进程

在Linux系统中代码段总是从0x08048000处开始，数据段在接下来的4KB对齐的地址处，运行时堆在接下来的读写段之后的第一个4KB对齐的地址处，并通过调用malloc库网上增长，开始于地址0x40000000处的段是为共享库保留的，用户栈总是从地址0xbfffffff处开始，并向下增长，从栈的上部开始于地址0xc0000000处的段是为操作系统驻留存储器部分的代码和数据保留的。

程序调入内存（执行时），其结构如下：

（1）Stack（栈区）：局部变量    由编译器自动分配释放

（2）Heap（堆区）：动态变量，由new /malloc分配的数据   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

（3）BSS（Uninitiated Data）：全局变量，static，常量  程序结束后由系统释放

（4）Data（Initialized Data）：全局变量，static，常量   程序结束后由系统释放

（5）Text（代码区）：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码（可以理解为存放的就是代码） 程序结束后由系统释放

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。

4. 程序实例

    #include<stdio.h>  
    int a1=0;  
    static int sa=0;  
    int a2=0;  
    int b;  
    int main()  
    {  
        int c1=1;  
        int c2;  
        int *d=(int *)malloc(sizeof(int)*10);  
        int *e=(int *)malloc(sizeof(int)*10);  
        static int f=0;  
        if(d==NULL)  
        {  
            printf("malloc error");  
            return -1;  
        }  
        printf("a1:%p\n",&a1);  
        printf("sa:%p\n",&sa);  
        printf("a2:%p\n",&a2);  
        printf("b:%p\n",&b);  
        printf("c1:%p\n",&c1);  
        printf("c2:%p\n",&c2);  
        printf("d:%p\n",&d);  
        printf("*d:%p\n",d);  
        printf("e:%p\n",&e);  
        printf("*e:%p\n",e);  
        printf("f:%p\n",&f);  
        printf("%p\n",&"123");  
        free(d);  
        return 0;  
    }  

运行结果如下：

5. 参考文献

（1）C++程序的内存布局 http://www.zelinonline.com/news_detail.asp?id=753

（2）C/C++程序内存分配详解 http://my.oschina.net/solu/blog/2537