C#内存分配概念

在C#中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。


栈,就是那些由编译器在需要的时候分配,在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。


堆,就是那些由new分配的内存块,他们的释放编译器不去管,由我们的应用程序去控制,一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉,那么在程序结束后,操作系统会自动回收。


自由存储区,就是那些由malloc等分配的内存块,他和堆是十分相似的,不过它是用free来结束自己的生命的。

 
全局/静态存储区,全局变量和静态变量被分配到同一块内存中,在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,在C++里面没有这个区分了,他们共同占用同一块内存区。


常量存储区,这是一块比较特殊的存储区,他们里面存放的是常量,不允许修改(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多) 

明确区分堆与栈 
在bbs上,堆与栈的区分问题,似乎是一个永恒的话题,由此可见,初学者对此往往是混淆不清的,所以我决定拿他第一个开刀。 
首先,我们举一个例子:


void f() { int* p=new int[5]; }


这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到new,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针p呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用operator new分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中,他在VC6下的汇编代码如下:


00401028 push 14h                                       
0040102A call operator new (00401060) 
0040102F add esp,4                                      
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax   
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]   
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax    


这里,我们为了简单并没有释放内存,那么该怎么去释放呢?是delete p么?澳,错了,应该是delete []p,这是为了告诉编译器:我删除的是一个数组,VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。


好了,我们回到我们的主题:堆和栈究竟有什么区别? 
主要的区别由以下几点:

l  管理方式:对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。 
 

l  空间大小:一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。当然,我们可以修改: 
打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在Category 中选中Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。 
注意:reserve最小值为4Byte;commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。 
碎片问题:对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。

l  生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。 
 

l  分配方式:堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。
 

 l  分配效率:栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。 
 

  从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete的使用,容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用堆。 
  虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。 
  无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结 构,产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug可是相当困难的:).

C#的内存分类
由于C#是一种托管语言,它的垃圾回收机制(GC)是由.net平台负责的,加之C#语言并没有指针,所以我们在使用过程中极少会考虑到内存使用状况以及项目在运行过程中是如何进行内存管理的。但是,C#只是在内存管理方面对程序员隐藏了,并不代表它不涉及这些东西,甚至其内部内存管理或许比自己手动管理更加复杂。

参考前面文章中的内存分类——四分类,本文会依据自己的理解,从这四个分类来说明。

1、代码区

2、线程栈  

C#程序在程序运行的时候,每个线程(Thread)都会维护一个自己的专属线程堆栈。此即为“栈”,或者称之为“线程栈”

值类型存储在线程栈。栈由操作系统进行管理,不受GC管理,当值类型不在其作用域(主要是指其所在函数内)时,其所占栈空间自动释放。栈的执行效率是非常高的。

3、托管堆

当CLR载入内存之后,会初始化两个托管堆,

一个大对象堆(LOH –large object heap)
一个小对象对(SOH – small object heap)
GC堆

(1)小对象堆(SOH)

对于SOH,对象在执行一次垃圾回收之后,会进入到下一代。也就是说如果在第一次执行垃圾回收时,存活下来的对象会进入第1代,如果在第2次垃圾回收之后该对象仍然没有被当作垃圾回收掉,它就会成为2代对象;2代对象就是最老的对象不会在提升代数。从代的角度看,大对象属于2代对象,因为只有在2代回收时才会处理大对象。

(2)大对象堆(LOH)
用于分配大对象实例。大对象就是大小大于85000字节(约为83k)的实例对象。大对象分配在LOH上,不受GC控制,不会被压缩,只有在完全GC回收(只有在2代回收时才会处理大对象)时才会被回收。

(3)GC堆
用于分配小对象实例。所谓小对象就是大小小于85000字节(约为83k)的实例对象。GC堆分三代垃圾进行管理,当进行GC操作(垃圾回收)时,垃圾收集器会对GC堆进行压缩回收。

4、全局数据区

       全局变量、常量、静态类和静态成员(静态变量、静态方法),都存放在全局区,而它们的地址放在声明时变量(在代码区)开辟在栈区的内存中。(这些地址都是在程序运行时最先压栈的,这点很重要)

       全局变量和静态类、常量、静态成员,都是在全局区,但是它们的地址仍放在栈区,为什么会保存住呢?因为在.net程序编译时这些静态和全局都是最先编译的,所以最先压栈,那么也就只能等程序结束时才会弹栈,所以全程可用。缺点就是启动慢、编译时间长;当然优点也有,如常说的,静态类常用于窗体传值和实现单例模式,这就得益于它的一次编译全程可用。

(这就是为什么静态类,静态数据可以全程使用的原因了,因为它们最先入栈,最后出栈)

        所以全局和静态上面说过,会在程序运行结束时才会被释放和回收,所以应限制使用全局变量、常量、和静态变量和静态类,否则程序负荷高。


 

 

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