C C 記憶體分配

c/c++記憶體分配

一、預備知識：程式的記憶體分配

乙個由c/c++編譯的程式占用的記憶體分為以下幾個部分：

1、棧區（stack）：由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。

2、堆區（heap）：一般由程式設計師分配釋放，若程式設計師不釋放，程式結束時可能由os**。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鍊錶。

3、全域性區（靜態區）（static）：全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域，未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。程式結束後有系統釋放。

4、文字常量區：常量字串就是放在這裡的。程式結束後由系統釋放

5、程式**區：存放函式體的二進位制**。

例子程式：

int a = 0; //全域性初始化區

char *p1; //全域性未初始化區

main()

int b; //棧

char s = "abc"; //棧

char *p2; //棧

char *p3 ="123456"; //123456\0在常量區，p3在棧上。

static int c =0; //全域性（靜態）初始化區

p1 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20); //分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。

strcpy(p1,"123456"); //123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成乙個地方

二、堆和棧的理論知識

2.1申請方式

stack:

由系統自動分配。例如，宣告在函式中乙個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間。

heap:

需要程式設計師自己申請，並指明大小，在c中malloc函式。

如p1 = (char*)malloc(10);

在c++中用new運算子

如p2 = (char*)malloc(10);

但是注意p1、p2本身是在棧中的。

2.2申請後系統的響應

棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢位。

堆：首先應該知道作業系統有乙個記錄空閒記憶體位址的鍊錶，當系統收到程式的申請時，會遍歷該鍊錶，尋找第乙個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點鍊錶中刪除，並將該結點的空間分配給程式，另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首位址處記錄本次分配的大小，這樣，**中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鍊錶中。

2.3申請大小的限制

棧：在windows下,棧是向低位址擴充套件的資料結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的位址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 windows下，棧的大小是2m（也有的說是1m，總之是乙個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高位址擴充套件的資料結構，是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用鍊錶來儲存的空閒記憶體位址的，自然是不連續的，而鍊錶的遍歷方向是由低位址向高位址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

2.4申請效率的比較：

棧由系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便。另外，在windows下，最好的方式是用virtualalloc分配記憶體，他不是在堆，也不是在棧是直接在程序的位址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活2.5堆和棧中的儲存內容。

棧：在函式呼叫時，第乙個進棧的是主函式中後的下一條指令（函式呼叫語句的下一條可執行語句）的位址，然後是函式的各個引數，在大多數的c編譯器中，引數是由右往左入棧的，然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。

堆：一般是在堆的頭部用乙個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。

2.6訪問效率的比較

char s1 = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的；而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；但是，在以後的訪問中，在棧上的陣列比指標所指向的字串(例如堆)快。

比如：#include

void main()

char a = 1;

char c = "1234567890";

char *p ="1234567890";

a = c[1];

a = p[1];

return;

對應的彙編**

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

第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，在根據edx讀取字元，顯然慢了。

2.7小結：

堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出：

使用棧就象我們去飯館裡吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。

使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

堆和棧的區別主要分：

作業系統方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。

還有就是資料結構方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是（滿足堆性質的）優先佇列的一種資料結構，第1個元素有最高的優先權；棧實際上就是滿足先進後出的性質的數學或資料結構。

雖然堆疊，堆疊的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區別的，連著叫只是由於歷史的原因。

【補充】：

堆(heap)和棧(stack)是c/c++程式設計不可避免會碰到的兩個基本概念。首先，這兩個概念都可以在講資料結構的書中找到，他們都是基本的資料結構，雖然棧更為簡單一些。

在具體的c/c++程式設計框架中，這兩個概念並不是並行的。對底層機器**的研究可以揭示，棧是機器系統提供的資料結構，而堆則是c/c++函式庫提供的。

具體地說，現代計算機(序列執行機制)，都直接在**底層支援棧的資料結構。這體現在，有專門的暫存器指向棧所在的位址，有專門的機器指令完成資料入棧出棧的操作。這種機制的特點是效率高，支援的資料有限，一般是整數，指標，浮點數等系統直接支援的資料型別，並不直接支援其他的資料結構。因為棧的這種特點，對棧的使用在程式中是非常頻繁的。對子程式的呼叫就是直接利用棧完成的。機器的call指令裡隱含了把返回位址推入棧，然後跳轉至子程式位址的操作，而子程式中的ret指令則隱含從堆疊中彈出返回位址並跳轉之的操作。c/c++中的自動變數是直接利用棧的例子，這也就是為什麼當函式返回時，該函式的自動變數自動失效的原因(因為堆疊恢復了呼叫前的狀態)。

和棧不同，堆的資料結構並不是由系統(無論是機器系統還是作業系統)支援的，而是由函式庫提供的。基本的malloc/realloc/free函式維護了一套內部的堆資料結構。當程式使用這些函式去獲得新的記憶體空間時，這套函式首先試圖從內部堆中尋找可用的記憶體空間，如果沒有可以使用的記憶體空間，則試圖利用系統呼叫來動態增加程式資料段的記憶體大小，新分配得到的空間首先被組織進內部堆中去，然後再以適當的形式返回給呼叫者。當程式釋放分配的記憶體空間時，這片記憶體空間被返回內部堆結構中，可能會被適當的處理(比如和其他空閒空間合併成更大的空閒空間)，以更適合下一次記憶體分配申請。這套複雜的分配機制實際上相當於乙個記憶體分配的緩衝池(cache)，使用這套機制有如下若干原因：

1. 系統呼叫可能不支援任意大小的記憶體分配。有些系統的系統呼叫只支援固定大小及其倍數的記憶體請求(按頁分配)；這樣的話對於大量的小記憶體分類來說會造成浪費。

2. 系統呼叫申請記憶體可能是代價昂貴的。系統呼叫可能涉及使用者態和核心態的轉換。

3. 沒有管理的記憶體分配在大量複雜記憶體的分配釋放操作下很容易造成記憶體碎片。

堆和棧的對比

從以上知識可知，棧是系統提供的功能，特點是快速高效，缺點是有限制，資料不靈活；而堆是函式庫提供的功能，特點是靈活方便，資料適應面廣泛，但是效率有一定降低。棧是系統資料結構，對於程序/執行緒是唯一的；堆是函式庫內部資料結構，不一定唯一。不同堆分配的記憶體邏輯上無法互相操作。棧空間分靜態分配和動態分配兩種。靜態分配是編譯器完成的，比如自動變數(auto)的分配。動態分配由alloca函式完成。棧的動態分配無需釋放(是自動的)，也就沒有釋放函式。為可移植的程式起見，棧的動態分配操作是不被鼓勵的！堆空間的分配總是動態的，雖然程式結束時所有的資料空間都會被釋放回系統，但是精確的申請記憶體/釋放記憶體匹配是良好程式的基本要素。

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