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关于栈区、堆区、全局区、文字常量区、程序代码区

2022-07-04 22:00:00 InfoQ

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

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。
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
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,程序结束后由系统释放。

  • 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。
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
程序代码区
存放函数体的二进制代码。

int a = 0; //全局初始化区
char *p; //全局未初始化区
int main(int argc, char * argv[]) {
 int b; //栈
 char *p1; //栈
 char s[] = "abc"; //栈
 char *p2 = "123456"; //"123456"在常量区,p2在栈上
 static int c = 0; //全局静态区,初始化区
 p = (char *)malloc(10); //分配得来的10和20字节的区域在堆区
 p1 = (char *)malloc(20); //分配得来的10和20字节的区域在堆区
 strcpy(p1, "123456"); //123456在常量区,编译器可能将它与p1所指向123456优化为一个地方
}


堆和栈的理论知识

申请方式
  • 栈由系统自动分配,速度较快,是一块连续的内存区域,大小是2MB。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
  • 堆需要程序员自己申请,并指明大小,速度比较慢。用
    malloc
    alloc
    new
    calloc
    realloc
    等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。另外,堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域,堆的大小受限于计算机的虚拟内存。因此堆空间获取和使用比较灵活,可用空间较大。例如

p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(10);

但是注意 p1、p2本身是在栈中的。
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。
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。
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
    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块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。
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。堆中的具体内容由程序员安排。
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 = c[1];
 a = p[1];
 return;
}

对应的汇编代码

10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],
cl11: 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

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器
cl
中,而第二种则要先把指针值读到
edx
中,再根据
edx
读取字符,显然慢了。
小结 (堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出)
  • 使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。
  • 使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。
对比
  • 栈是系统提供的功能,特点是快速高效,缺点是有限制,数据不灵活;堆是函数库提供的功能,特点是灵活方便,数据适应面广泛,但是效率有一定降低。
  • 栈是系统数据结构,对于进程/线程是唯一的;堆是函数库内部数据结构,不一定唯一。不同堆分的内存无法互相操作。栈空间分静态分配和动态分配两种。静态分配是编译器完成的,比如自动变量(auto)的分配。动态分配由
    alloca
    函数完成。栈的动态分配无需释放(是自动),也就没有释放函数。为可移植的程序起见,栈的动态分配操作是不被鼓励的!堆空间的分配总是动态的,虽然程序结束时所有的数据空间都会被释放回系统,但是精确的申请内存/释放内存匹配是良好 程序的基本要素。
  • 一般所说的堆栈(
    stack
    )往往是指栈,先进后出, 它是一块内存区。用以存放程序的局部变量,临时变量,函数的参数,返回地址等。在这块区域中的变量的分配和释放由系统自动进行。不需要用户的参与。而在堆(
    heap
    ,先进先出) 上的空间则是由用户进行分配 ,并由用户负责释放。
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