堆栈及内存分区

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一、C/C++程序的内存分区

1.栈区(stack):由编译器自动分配释放 。存放函数的参数值,局部变量(指非静态局部变量),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。 需要及时是否,否则会造成内存泄露,其操作方式类似于数据结构中的链表。
3.全局区静态区(static):存放全局变量和静态变量。程序结束后由系统释放 。
4.文字常量区:存放常量字符串。 程序结束后由系统释放
5.程序代码区:存放函数体的二进制代码。

注意:所有用static声明的静态变量都全局静态区,也就是在函数里面定义的static会占用内存直到程序结束才释放,需要谨慎使用

经典例子:

int  a = 0;	//全局区静态区
char *p1; 	//全局区静态区
main() {
    int b;	//栈
    char s[] = "abc";	//栈,abc\0字符数组(元素可变)而非字符串常量
    char *p2;	//栈
    char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区,p3在栈上。
    static int c = 0;	//全局区静态区
    p1 = (char *)malloc(10);	//分配得来得10字节的区域在堆区
    p2 = (char *)malloc(20);	//分配得来得20字节的区域在堆区
    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。
}

二、堆和栈的理论知识

2.1申请方式
栈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。
堆heap: 需要程序员自己申请,并指明大小
例如,在c中malloc函数,如p1 = (char *)malloc(10);
但是注意p1本身是在栈中的(或者全局静态区)。

2.2 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,另外,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。另外,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。
2.3 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。

2.4 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,申请速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

2.5 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。
2.6 存取效率的比较(栈效率比堆效率要高
char s1[ ] = “test1”; //字符串数组
char *s2 = “test2”; //字符串常量
test1是在运行时刻赋值的;
test2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常量快。

void main() {
    char a = 1;
    char c[] = "1234567890";
    char *p  = "1234567890";
    a = c[1];
    a = p[1];
}

对应的汇编代码:

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,在根据edx读取字符,显然栈的效率更高。
CPU有专门的寄存器(ESP,EBP)来操作栈,堆都是使用间接寻址的,所以栈更高效
2.7小结
堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:
使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。

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