程式記憶體分配詳解(C C )

2021-08-03 12:11:30 字數 3107 閱讀 9377

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)—— 程式執行時由編譯器自動分配,存放函式的引數值,區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。程式結束時由編譯器自動釋放。

2、堆區(heap)—— 在記憶體開闢另一塊儲存區域。一般由程式設計師分配釋放(new、delete), 若程式設計師不釋放,程式結束時可能由os** 。注意它與資料結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似於鍊錶,呵呵。

3、全域性區(靜態區)(static)——編譯器編譯時即分配記憶體。全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的。在以前的 c 語言中,全域性變數又分為初始化的和未初始化的(初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域,未初始化的全域性變數與靜態變數在相鄰的另一塊區域,同時未被初始化的物件儲存區可以通過 void* 來訪問和操縱,程式結束後由系統自行釋放),在 c++ 裡面沒有這個區分了,他們共同占用同一塊記憶體區。

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——存放函式體的二進位制**。

記憶體分配方式有三種:

[1]. 從靜態儲存區域分配。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記憶體洩漏,頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。

voidf(

)

這條短短的一句話就包含了堆與棧,看到 new,我們首先就應該想到,我們分配了一塊堆記憶體,那麼指標 p 呢?他分配的是一塊棧記憶體,所以這句話的意思就是:在棧記憶體中存放了乙個指向一塊堆記憶體的指標p。在程式會先確定在堆中分配記憶體的大小,然後呼叫 operator new 分配記憶體,然後返回這塊記憶體的首位址,放入棧中。

有以下幾點:

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,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。

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,這裡我們就不再一一討論了。

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 malloc 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,就算是在你的程式執行過程中,沒有發生上面的問題,你還是要小心,說不定什麼時候就崩掉,那時候 debug 可是相當困難的 :)

#include

#include

char

*output()

intmain()

執行結果:

12345

segmentation fault (core dumped)

可以看到,主函式中未正確輸出,輸出的是亂碼。主要原因是str分配在棧空間,當函式結束呼叫時,str所在棧空間被釋放。所以後面輸出的是亂碼。

如何改進**,使得在主函式中正常輸出呢?

**如下:

#include

#include

char

*output()

intmain()

執行結果:

12345

12345

可以看到正確輸出,主要就是常量字串在程式執行結束後才釋放。理解了這一點,程式就理解了。

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