堆棧自由存儲(chǔ)區(qū)全局靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)

1、堆、棧、自由存儲(chǔ)區(qū)、全局 / 靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)2009-01-16 09:42 2927 人閱讀 評(píng)論 (5) 收藏 舉報(bào)堆、棧、自由存儲(chǔ)區(qū)、全局 / 靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)在 C 中，內(nèi)存分成5 個(gè)區(qū)，他們分別是堆、棧、自由存儲(chǔ)區(qū)、全局/ 靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)。棧，就是那些由編譯器在需要的時(shí)候分配，在不需要的時(shí)候自動(dòng)清楚的變量的存儲(chǔ)區(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。堆，就是那些由new分配的內(nèi)存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應(yīng)用程序 去控制，一般一個(gè)new就要對(duì)應(yīng)一個(gè)delete。如果程序員沒有釋放掉，那么在程 序結(jié)束后，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收。自由存儲(chǔ)區(qū)，就是那些由 ma

2、lloc 等分配的內(nèi)存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用 free 來結(jié)束自己的生命的。全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，全局變量和靜態(tài)變量被分配到同一塊內(nèi)存中，在以前的 C語言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C 里面沒有這個(gè)區(qū)分了，他們共同占用同一塊內(nèi)存區(qū)。常量存儲(chǔ)區(qū)，這是一塊比較特殊的存儲(chǔ)區(qū)，他們里面存放的是常量，不允許修改(當(dāng)然，你要通過非正當(dāng)手段也可以修改，而且方法很多，在 const 的思考一文中，我給出了 6 種方法) 明確區(qū)分堆與棧在 bbs 上，堆與棧的區(qū)分問題，似乎是一個(gè)永恒的話題，由此可見，初學(xué)者對(duì)此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個(gè)開刀。首先，我們舉一個(gè)例子：void f(

3、) int* p=new int5; 這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new,我們首先就應(yīng)該想到，我們分配了一塊堆內(nèi)存，那么指針p 呢？他分配的是一塊棧內(nèi)存，所以這句話的意思就是：在 棧內(nèi)存中存放了一個(gè)指向一塊堆內(nèi)存的指針p。在程序會(huì)先確定在堆中分配內(nèi)存的大小，然后調(diào)用 operator new 分配內(nèi)存，然后返回這塊內(nèi)存的首地址，放入棧中，他在VC6下的匯編代碼如下：00401028 push 14h0040102A call operator new (00401060)0040102F add esp,400401032 mov dword ptr ebp-8,eax00401035

4、 mov eax,dword ptr ebp-800401038 mov dword ptr ebp-4,eax這里，我們?yōu)榱撕?jiǎn)單并沒有釋放內(nèi)存，那么該怎么去釋放呢？是delete p 么？澳，錯(cuò)了，應(yīng)該是delete p ，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個(gè)數(shù)組， VC6就會(huì)根據(jù)相應(yīng)的 Cookie 信息去進(jìn)行釋放內(nèi)存的工作。好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什么區(qū)別？主要的區(qū)別由以下幾點(diǎn)：1、管理方式不同；2、空間大小不同；3、能否產(chǎn)生碎片不同；4、生長(zhǎng)方向不同；5、分配方式不同；6、分配效率不同；管理方式：對(duì)于棧來講，是由編譯器自動(dòng)管理，無需我們手工控制；對(duì)于堆來說，釋放工作由程序員

5、控制，容易產(chǎn)生memory leak ?？臻g大?。阂话銇碇v在32 位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到 4G 的空間，從這個(gè)角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。但是對(duì)于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認(rèn)的棧空間大小是1M （好像是，記不清楚了）。當(dāng)然,我們可以修改：打開工程，依次操作菜單如下： Project-Setting-Link ，在 Category 中選中Output ，然后在 Reserve 中設(shè)定堆棧的最大值和commit。注意： reserve 最小值為 4Byte ； commit 是保留在虛擬內(nèi)存的頁文件里面，它設(shè)置的較大會(huì)使棧開辟較大的值，可能增加內(nèi)存的開銷

6、和啟動(dòng)時(shí)間。碎 片問題：對(duì)于堆來講，頻繁的 new/delete 勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對(duì)于棧來講，則不會(huì)存在這個(gè)問題，因 為棧是先進(jìn)后出的隊(duì)列，他們是如此的一一對(duì)應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個(gè)內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進(jìn)的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出，詳細(xì)的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里我們就不再一一討論了。生長(zhǎng)方向：對(duì)于堆來講，生長(zhǎng)方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向；對(duì)于棧來講，它的生長(zhǎng)方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長(zhǎng)。分配方式：堆都是動(dòng)態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有2 種分配方式：靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如

7、局部變量的分配。動(dòng)態(tài)分配由alloca 函數(shù)進(jìn)行分配，但是棧的動(dòng)態(tài)分配和堆是不同的，他的動(dòng)態(tài)分配是由編譯器進(jìn)行釋放，無需我們手工實(shí)現(xiàn)。分 配效率：棧是機(jī)器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)會(huì)在底層對(duì)棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較 高。堆則是C/C 函數(shù)庫提供的，它的機(jī)制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫函數(shù)會(huì)按照一定的算法（具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/ 操作系統(tǒng)）在堆內(nèi) 存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于內(nèi)存碎片太多），就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間，這樣就有機(jī)會(huì)分到 足夠大小的內(nèi)存，然后進(jìn)行

8、返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete 的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片；由于沒有專門的系統(tǒng)支持，效率很低；由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，內(nèi)存的申請(qǐng)，代價(jià)變得更加昂貴。所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛 的，就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成，函數(shù)調(diào)用過程中的參數(shù)，返回地址，EBPW局部變量都采用棧的方式存放。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，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時(shí)候分配大量的內(nèi)存空間，還是用堆好一些。無論是堆還是棧，都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生（除非你是故意使其越界），因?yàn)樵浇绲慕Y(jié)果要么是程序崩潰，要么是摧毀程

9、序的堆、棧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以想不到的結(jié)果, 就算是在你的程序運(yùn)行過程中，沒有 發(fā)生上面的問題，你還是要小心，說不定什么時(shí)候就崩掉，那時(shí)候debug可是相當(dāng)困難的：）對(duì)了，還有一件事，如果有人把堆棧合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？還有如下的解釋：堆 （heap） 和棧 （stack） 有什么區(qū)別 ?簡(jiǎn)單的可以理解為：heap：是由malloc之類函數(shù)分配的空間所在地。地址是由低向高增長(zhǎng)的。stack ：是自動(dòng)分配變量，以及函數(shù)調(diào)用的時(shí)候所使用的一些空間。地址是由高向低減少的。預(yù)備知識(shí)程序的內(nèi)存分配 一個(gè)由 c/C 編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個(gè)部分1、棧區(qū)（ stack ） 由編譯

10、器自動(dòng)分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。2、堆區(qū)（ heap） 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，呵 呵。3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（ static ），全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后有系統(tǒng)釋放4、文字常量區(qū) 常量字符串就是放在這里的。 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放5、程序代碼區(qū)存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。二、例子程序這是一個(gè)前輩寫的，非常詳細(xì)/main.cpp

11、int a = 0; 全局初始化區(qū)char *p1; 全局未初始化區(qū)main（）int b; 棧char s = abc; 棧char *p2; 棧char *p3 = 123456; 123456 在常量區(qū)， p3 在棧上。static int c =0； 全局（靜態(tài)）初始化區(qū)p1 = (char *)malloc(10);p2 = (char *)malloc(20);分配得來得10 和 20 字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。strcpy(p1, 123456); 123456 放在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)將它與 p3 所指向的123456 優(yōu)化成一個(gè)地方。二、堆和棧的理論知識(shí)申請(qǐng)方式 stack:由系統(tǒng)

12、自動(dòng)分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量int b; 系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b 開辟空間heap:需要程序員自己申請(qǐng)，并指明大小，在c 中 malloc 函數(shù)如 p1 = (char *)malloc(10);在C中用new運(yùn)算符如 p2 = (char *)malloc(10);但是注意 p1、 p2 本身是在棧中的。申請(qǐng)后系統(tǒng)的響應(yīng)棧：只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì) 遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分

13、配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi) 存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的 delete 語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外，由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。申請(qǐng)大小的限制棧：在Windows下，棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在 WINDOWS, 棧的大小是2M (也有白說是1M總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù))，如果申請(qǐng)的 空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow 。因 此，能從棧獲得的空間較小。堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，

14、是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲(chǔ)的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。申請(qǐng)效率的比較：棧由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無法控制的。堆是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，不過用起來最方便 .另外，在 WINDOWS,最好的方式是用 VirtualAlloc 分配內(nèi)存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一快內(nèi)存，雖然用起來最不方便。但是速度，也最靈活堆和棧中的存儲(chǔ)內(nèi)容棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函

15、數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。存取效率的比較char s1 = aaaaaaaaaaaaaaa;char *s2 = bbbbbbbbbbbbbbbbb;aaaaaaaaaaa是在運(yùn)行時(shí)亥U賦值的；而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)就確定的；但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組

16、比指針?biāo)赶虻淖址?（ 例如堆 ） 快。比如：#includevoid main（）char a = 1;char c = 1234567890;char *p =1234567890;a = c1;a = p1;return;對(duì)應(yīng)的匯編代碼a = c1;00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr ebp-0Fh0040106A 88 4D FC mov byte ptr ebp-4,cla = p1;0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr ebp-14h00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr edx 100

17、401073 88 45 FC mov byte ptr ebp-4,al第一種在讀取時(shí)直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl 中，而第二種則要先把指edx 中，在根據(jù)edx 讀取字符，顯然慢了。2.7 小結(jié)：堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出：使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜（發(fā)出申請(qǐng)）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己動(dòng)手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。堆和棧的區(qū)別主要分：操作系統(tǒng)方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。還有就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這里的堆實(shí)際上指的就是（滿足堆性質(zhì)的）優(yōu)先隊(duì)列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，第 1 個(gè)元素有最高的優(yōu)先權(quán)；棧實(shí)際上就是滿足先進(jìn)后出的性質(zhì)的數(shù)學(xué)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。雖然堆棧，堆棧的說法是