C C 程式記憶體分配詳解

**：開源中國 c/c++程式記憶體分配詳解

1.記憶體分配方式

記憶體分配方式有三種：

[1]從靜態存儲區域分配。內存在程式編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程式的整個執行期間都存在。例如全域性變數，static變數。

[2]在棧上建立。在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。

[3]從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在執行的時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式設計師自己負責在何時用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期由程式設計師決定，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責任**它，否則執行的程式會出現內存洩漏，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.程式的記憶體空間

乙個程式將操作系統分配給其執行的記憶體塊分為4個區域，如下圖所示。

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，存放為執行函式而分配的區域性變數、函式引數、返回資料、返回位址等。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** 。分配方式類似於鍊錶。

3、全域性區（靜態區）（static） —存放全域性變數、靜態資料、常量。程式結束後由系統釋放。

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（類成員函式和全域性函式）的二進位制**。

下面給出例子程式，

int a = 0; //全域性初始化區

char *p1; //全域性未初始化區

int main()

3．堆與棧的比較

3.1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，c++中是new運算子。

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。

3.2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。

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。

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。

3.3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。

3.4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，也不是棧，而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。

3.5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。

當本次函式呼叫結束後，區域性變數先出棧，然後是引數，最後棧頂指標指向最開始存的位址，也就是主函式中的下一條指令，程式由該點繼續執行。

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。

3.6訪問效率的比較

char s1 = "a";

char *s2 = "b";

a是在執行時刻賦值的；而b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：

int　main()

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，再根據edx讀取字元，顯然慢了。

3.7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：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程式設計師控制，容易產生memory leak。

空間大小：一般來講在32位系統下，堆記憶體可以達到4g的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在vc6下面，預設的棧空間大小是1m。當然，這個值可以修改。

碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進後出的佇列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有乙個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考資料結構。

生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體位址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體位址減小的方向增長。

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，比如區域性變數的分配。動態分配由malloca函式進行分配，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資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：分配專門的暫存器存放棧的位址，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++函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演算法可以參考資料結構/作業系統）在堆記憶體中搜尋可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就有機會分到足夠大小的記憶體，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於可能引發使用者態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函式的呼叫也利用棧去完成，函式呼叫過程中的引數，返回位址， ebp和區域性變數都採用棧的方式存放。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，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，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），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、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分配堆空間可以呼叫類的建構函式，而malloc()函式僅僅是乙個函式呼叫，它不會呼叫建構函式，它所接受的引數是乙個 unsigned long型別。同樣，delete在釋放堆空間之前會呼叫析構函式，而free函式則不會。

class time{

public:

time(int,int,int,string);

~time(){

cout<<"call time』s destructor by:"<

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程式記憶體分配詳解（C C ）

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