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堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区 2009-01-16 09:42 2927 人阅读 评论(5) 收藏 举报 堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区 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,在const 的思考一文中,我给出了 6 种 方法) 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 int5; 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: 1、管理方式不同; 2、空间大小不同; 3、能否产生碎片不同; 4、生长方向不同; 5、分配方式不同; 6、分配效率不同; 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。 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。 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。 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。 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:) 对了,还有一件事,如果有人把堆栈合起来说,那它的意思是栈,可不是堆,呵呵,清楚了?还有如下的解释: 堆(heap)和栈(stack)有什么区别?简单的可以理解为: heap:是由 malloc 之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。 stack:是自动分配变量,以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少的。预备知识程序的内存分配一个由 c/C+编译的程序占用的内存分为以下几个部分 1、栈区(stack) 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。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, 若程序员不释放,程序结束时可能由 OS 回 收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表,呵呵。 3、全局区(静态区) (static),全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全 局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一 块区域。 - 程序结束后有系统释放 4、文字常量区 常量字符串就是放在这里的。 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。二、例子程序 这是一个前辈写的,非常详细 /main.cpp int a = 0; 全局初始化区 char *p1; 全局未初始化区 main() int b; 栈 char s = “abc“; 栈 char *p2; 栈 char *p3 = “123456“; 123456 在常量区,p3 在栈上。 static int c =0; 全局(静态)初始化区 p1 = (char *)malloc(10); p2 = (char *)malloc(20); 分配得来得 10 和 20 字节的区域就在堆区。 strcpy(p1, “123456“); 123456 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 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 heap: 需要程序员自己申请,并指明大小,在 c 中 malloc 函数 如 p1 = (char *)malloc(10); 在 C+中用 new 运算符 如 p2 = (char *)malloc(10); 但是注意 p1、p2 本身是在栈中的。 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,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便. 另外,在 WINDOWS 下,最好的方式是用 VirtualAlloc 分配内存,他不是在堆,也不是在栈 是直接在进程的地址空间中保留一快内存,虽然用起来最不方便。但是速度, 也最灵活 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char s1 = “aaaaaaaaaaaaaaa“; char *s2 = “bbbbbbbbbbbbbbbbb“; aaaaaaaaaaa 是在运行时刻赋值的; 而 bbbbbbbbbbb 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(例如堆)快。 比如: #include void main() char a = 1; char c = “1234567890“; char *p =“1234567890“; a = c1; a = p1; return; 对应的汇编代码 10: a = c1; 004010
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