內存分配方式

內存分配方式有三種：

[1] 從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量， static 變量。

[2] 在棧上創建。在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中 ，效率很高，但是分配的內存容量有限。

[3] 從堆上分配，亦稱動態內存分配 。程序在運行的時候用 malloc 或 new 申請任意多少的內存，程序員自己負責在何時用 free 或 delete 釋放內存。動態內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，就有責任回收它，否則運行的程序會出現內存泄漏，頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。

2. 程序的內存空間

一個程序將操作系統分配給其運行的內存塊分為 4 個區域，如下圖所示。

代碼區 (code area) 程序內存空間

全局數據區 (data area)

堆區 (heap area)

棧區 (stack area)

一個由 C/C++ 編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分 ,

1 、棧區（ stack ）    由編譯器自動分配釋放 ，存放為運行函數而分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等。其操作方式類似于數據結構中的棧。

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

3 、全局區（靜態區）（ static ）存放全局變量、靜態數據、常量。程序結束后有系統釋放

4 、文字常量區 常量字符串就是放在這里的。 程序結束后由系統釋放。

5 、程序代碼區存放函數體（類成員函數和全局函數）的二進制代碼。

下面給出例子程序，

int a = 0; // 全局初始化區

char *p1; // 全局未初始化區

int 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;// 全局（靜態）初始化區

p1 = new char[10];

p2 = new char[20];

// 分配得來得和字節的區域就在堆區。

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\" 優化成一個地方。

}

堆與棧的比較

1 申請方式

stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為 b 開辟空間。

heap: 需要程序員自己申請，并指明大小，在 C 中 malloc 函數， C++ 中是 new 運算符。

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 申請后系統的響應

棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表 ，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序。

對于大多數系統，會在這塊內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存空間。

由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

3 申請大小的限制

棧：在 Windows 下 , 棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。 這句話的意思是棧頂的地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 ，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示 overflow 。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4 申請效率的比較

棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的 。

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

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

5 堆和棧中的存儲內容

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中后的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的 C 編譯器中，參數是由右往左入棧的 ，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

6 存取效率的比較

char s1[] = \"a\";

char *s2 = \"b\";

a 是在運行時刻賦值的；而 b 是在編譯時就確定的；但是，在以后的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串 ( 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;

}

對應的匯編代碼

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 edx 讀取字符，顯然慢了。

7 小結

堆和棧的主要區別由以下幾點：

1 、管理方式不同；

2 、空間大小不同；

3 、能否產生碎片不同；

4 、生長方向不同；

5 、分配方式不同；

6 、分配效率不同；

管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生 memory leak 。

空間大小：一般來講在 32 位系統下，堆內存可以達到 4G 的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在 VC6 下面，默認的棧空間大小是 1M 。當然，這個值可以修改。

碎片問題：對于堆來講，頻繁的 new/delete 勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進后出的隊列，他們是如此的一一對應，以至于永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構。

生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內存地址增加的方向；對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內存地址減小的方向增長。

分配方式：堆都是動態分配的 ，沒有靜態分配的堆。棧有 2 種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由 malloca 函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現 。

分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：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行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是 C/C++ 函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構 / 操作系統）在堆內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（可能是由于內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然后進行返回。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，容易造成大量的內存碎片；由于沒有專門的系統支持，效率很低；由于可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，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

候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。

無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果。

4.new/delete 與 malloc/free 比較

從 C++ 角度上說，使用 new 分配堆空間可以調用類的構造函數，而 malloc() 函數僅僅是一個函數調用，它不會調用構造函數，它所接受的參數是一個 unsigned long 類型。同樣， delete 在釋放堆空間之前會調用析構函數，而 free 函數則不會。

 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

結果：

call Time\'s constructor by:t2

call Time\'s destructor by:t2

從結果可以看出，使用 new/delete 可以調用對象的構造函數與析構函數，并且示例中調用的是一個非默認構造函數。但在堆上分配對象數組時，只能調用默認構造函數，不能調用其他任何構造函數

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