內(nèi)存分配方式

內(nèi)存分配方式有三種：

[1] 從靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域分配。內(nèi)存在程序編譯的時(shí)候就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在。例如全局變量， static 變量。

[2] 在棧上創(chuàng)建。在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲(chǔ)單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中 ，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。

[3] 從堆上分配，亦稱動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配 。程序在運(yùn)行的時(shí)候用 malloc 或 new 申請(qǐng)任意多少的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在何時(shí)用 free 或 delete 釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期由程序員決定 ，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責(zé)任回收它，否則運(yùn)行的程序會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會(huì)產(chǎn)生堆內(nèi)碎塊。

2. 程序的內(nèi)存空間

一個(gè)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)分配給其運(yùn)行的內(nèi)存塊分為 4 個(gè)區(qū)域，如下圖所示。

代碼區(qū) (code area) 程序內(nèi)存空間

全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū) (data area)

堆區(qū) (heap area)

棧區(qū) (stack area)

一個(gè)由 C/C++ 編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個(gè)部分 ,

1 、棧區(qū)（ stack ）    由編譯器自動(dòng)分配釋放 ，存放為運(yùn)行函數(shù)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回?cái)?shù)據(jù)、返回地址等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

2 、堆區(qū)（ heap ）     一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由 OS 回收 。分配方式類似于鏈表。

3 、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（ static ）存放全局變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)、常量。程序結(jié)束后有系統(tǒng)釋放

4 、文字常量區(qū) 常量字符串就是放在這里的。 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

5 、程序代碼區(qū)存放函數(shù)體（類成員函數(shù)和全局函數(shù)）的二進(jìn)制代碼。

下面給出例子程序，

int a = 0; // 全局初始化區(qū)

char *p1; // 全局未初始化區(qū)

int main() {

int b; // 棧

char s[] = \"abc\"; // 棧

char *p2; // 棧

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

static int c =0;// 全局（靜態(tài)）初始化區(qū)

p1 = new char[10];

p2 = new char[20];

// 分配得來得和字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。

strcpy(p1, \"123456\"); //123456\\0 放在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)將它與 p3 所指向的 \"123456\" 優(yōu)化成一個(gè)地方。

}

堆與棧的比較

1 申請(qǐng)方式

stack: 由系統(tǒng)自動(dòng)分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量 int b; 系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為 b 開辟空間。

heap: 需要程序員自己申請(qǐng)，并指明大小，在 C 中 malloc 函數(shù)， C++ 中是 new 運(yùn)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 本身是在棧中的。

2 申請(qǐng)后系統(tǒng)的響應(yīng)

棧：只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。

堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表 ，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序。

對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的 delete 語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。

由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

3 申請(qǐng)大小的限制

棧：在 Windows 下 , 棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。 這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在 WINDOWS 下，棧的大小是 2M （也有的說是 1M ，總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請(qǐng)的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示 overflow 。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲(chǔ)的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4 申請(qǐng)效率的比較

棧由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無法控制的 。

堆是由 new 分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片 , 不過用起來最方便 。

另外，在 WINDOWS 下，最好的方式是用 VirtualAlloc 分配內(nèi)存，他不是在堆，也不是棧，而是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一快內(nèi)存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

5 堆和棧中的存儲(chǔ)內(nèi)容

棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的 C 編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的 ，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。

當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。

6 存取效率的比較

char s1[] = \"a\";

char *s2 = \"b\";

a 是在運(yùn)行時(shí)刻賦值的；而 b 是在編譯時(shí)就確定的；但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?( 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;

}

對(duì)應(yīng)的匯編代碼

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(shí)直接就把字符串中的元素讀到寄存器 cl 中，而第二種則要先把指針值讀到 edx 中，再根據(jù) edx 讀取字符，顯然慢了。

7 小結(jié)

堆和棧的主要區(qū)別由以下幾點(diǎn)：

1 、管理方式不同；

2 、空間大小不同；

3 、能否產(chǎn)生碎片不同；

4 、生長(zhǎng)方向不同；

5 、分配方式不同；

6 、分配效率不同；

管理方式：對(duì)于棧來講，是由編譯器自動(dòng)管理，無需我們手工控制；對(duì)于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生 memory leak 。

空間大小：一般來講在 32 位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到 4G 的空間，從這個(gè)角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。但是對(duì)于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在 VC6 下面，默認(rèn)的棧空間大小是 1M 。當(dāng)然，這個(gè)值可以修改。

碎片問題：對(duì)于堆來講，頻繁的 new/delete 勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對(duì)于棧來講，則不會(huì)存在這個(gè)問題，因?yàn)闂Ｊ窍冗M(jìn)后出的隊(duì)列，他們是如此的一一對(duì)應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個(gè)內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進(jìn)的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出，詳細(xì)的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

生長(zhǎng)方向：對(duì)于堆來講，生長(zhǎng)方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向；對(duì)于棧來講，它的生長(zhǎng)方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長(zhǎng)。

分配方式：堆都是動(dòng)態(tài)分配的 ，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有 2 種分配方式：靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動(dòng)態(tài)分配由 malloca 函數(shù)進(jìn)行分配，但是棧的動(dòng)態(tài)分配和堆是不同的，他的動(dòng)態(tài)分配是由編譯器進(jìn)行釋放，無需我們手工實(shí)現(xiàn) 。

分配效率：棧是機(jī)器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)會(huì)在底層對(duì)棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是 C/C++ 函數(shù)庫提供的，它的機(jī)制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫函數(shù)會(huì)按照一定的算法（具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) / 操作系統(tǒng)）在堆內(nèi)存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于內(nèi)存碎片太多），就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間，這樣就有機(jī)會(huì)分到足夠大小的內(nèi)存，然后進(jìn)行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片；由于沒有專門的系統(tǒng)支持，效率很低；由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，內(nèi)存的申請(qǐng)，代價(jià)變得更加昂貴。所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛的，就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成，函數(shù)調(diào)用過程中的參數(shù)，返回地址， EBP 和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時(shí)

候分配大量的內(nèi)存空間，還是用堆好一些。

無論是堆還是棧，都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生（除非你是故意使其越界），因?yàn)樵浇绲慕Y(jié)果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以想不到的結(jié)果。

4.new/delete 與 malloc/free 比較

從 C++ 角度上說，使用 new 分配堆空間可以調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)，而 malloc() 函數(shù)僅僅是一個(gè)函數(shù)調(diào)用，它不會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，它所接受的參數(shù)是一個(gè) unsigned long 類型。同樣， delete 在釋放堆空間之前會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而 free 函數(shù)則不會(huì)。

 1class Time{ 
 2
 3public: 
 4
 5    Time(int,int,int,string); 
 6
 7    ~Time(){ 
 8
 9       cout<<\"call Time\'s destructor by:\"<<name<<endl; 
10
11    } 
12
13private: 
14
15    int hour; 
16
17    int min; 
18
19    int sec; 
20
21    string name; 
22
23}; 
24
25Time::Time(int h,int m,int s,string n){ 
26
27hour=h; 
28
29min=m; 
30
31sec=s; 
32
33name=n; 
34
35cout<<\"call Time\'s constructor by:\"<<name<<endl; 
36
37} 
38
39int main(){ 
40
41Time *t1; 
42
43t1=(Time*)malloc(sizeof(Time)); 
44
45free(t1); 
46
47Time *t2; 
48
49t2=new Time(0,0,0,\"t2\"); 
50
51delete t2; 
52
53system(\"PAUSE\"); 
54
55return EXIT_SUCCESS; 
56
57} 
58

結(jié)果：

call Time\'s constructor by:t2

call Time\'s destructor by:t2

從結(jié)果可以看出，使用 new/delete 可以調(diào)用對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)，并且示例中調(diào)用的是一個(gè)非默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)。但在堆上分配對(duì)象數(shù)組時(shí)，只能調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，不能調(diào)用其他任何構(gòu)造函數(shù)

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