C++常識之——C++中堆和棧的區別，自由儲存區、全域/靜態儲存區和常量儲存區

在C++中，記憶體分成5個區，他們分別是堆、棧、自由儲存區、全域/靜態儲存區和常量儲存區。
棧，就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清楚的變數的儲存區。裡面的變數通常是局部變數、函數參數等。
堆，就是那些由new分配的記憶體塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程式去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程式員沒有釋放掉，那麼在程式結束後，作業系統會自動回收。
自由儲存區，就是那些由malloc等分配的記憶體塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。
全域/靜態儲存區，全域變數和靜態變數被分配到同一塊記憶體中，在以前的C語言中，全域變數又分為初始化的和未初始化的（初始化的全域變數和靜態變數在一塊地區，未初始化的全域變數與靜態變數在相鄰的另一塊地區，同時未被初始化的Object Storage Service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，他們共同佔用同一塊記憶體區。
常量儲存區，這是一塊比較特殊的儲存區，他們裡面存放的是常量，不允許修改（當然，你要通過非正當手段也可以修改，而且方法很多）
明確區分堆與棧
在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。
首先，我們舉一個例子：
void f() { int* p=new int[5]; } 
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一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，然後調用operator new分配記憶體，然後返回這塊記憶體的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編代碼如下：
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
這裡，我們為了簡單並沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p嗎？澳，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie資訊去進行釋放記憶體的工作。
好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？ 
主要的區別由以下幾點：
1、管理方式不同；
2、空間大小不同；
3、能否產生片段不同；
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，釋放工作由程式員控制，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（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改： 
開啟工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。
注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開闢較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。
片段問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的片段，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隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一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，比如局部變數的分配。動態分配由alloca函數進行分配，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，電腦會在底層對棧提供支援：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行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函數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（可能是由於記憶體片段太多），就有可能調用系統功能去增加程式資料區段的記憶體空間，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片段；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，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址，EBP和局部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,就算是在你的程式運行過程中，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：）
對了，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？

static用來控制變數的儲存方式和可見度
函數內部定義的變數，在程式執行到它的定義處時，編譯器為它在棧上分配空間，函數在棧上分配的空間在此函數執行結束時會釋放掉，這樣就產生了一個問題: 如果想將函數中此變數的值儲存至下一次調用時，如何?？ 最容易想到的方法是定義一個全域的變數，但定義為一個全域變數有許多缺點，最明顯的缺點是破壞了此變數的存取範圍（使得在此函數中定義的變數，不僅僅受此 函數控制）。

需要一個資料對象為整個類而非某個物件服務,同時又力求不破壞類的封裝性,即要求此成員隱藏在類的內部，對外不可見。

static的內部機制：
待用資料成員要在程式一開始運行時就必須存在。因為函數在程式運行中被調用，所以待用資料成員不能在任何函數內分配空間和初始化。這樣，它的空間分配有三個可能的地方，一是作為類的外部介面的標頭檔，那裡有類聲明；二是類定義的內部實現，那裡有類的成員函數定義；三是應用程式的main（）函數前的全域資料聲明和定義處。
待用資料成員要實際地分配空間，故不能在類的聲明中定義（只能聲明資料成員）。類聲明只聲明一個類的“尺寸和規格”，並不進行實際的記憶體配置，所以在類聲 明中寫成定義是錯誤的。它也不能在標頭檔中類聲明的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的源檔案中，對其重複定義。
static被引入以告知編譯器，將變數儲存在程式的靜態儲存區而非棧上空間，靜態
資料成員按定義出現的先後順序依次初始化，注意靜態成員嵌套時，要保證所嵌套的成員已經初始化了。消除時的順序是初始化的反順序。

static的優勢：
可以節省記憶體，因為它是所有對象所公有的，因此，對多個對象來說，待用資料成員只儲存一處，供所有對象共用。待用資料成員的值對每個對象都是一樣，但它的 值是可以更新的。只要對待用資料成員的值更新一次，保證所有對象存取更新後的相同的值，這樣可以提高時間效率。引用待用資料成員時，採用如下格式：
<類名>::<靜態成員名>
如果待用資料成員的存取權限允許的話(即public的成員)，可在程式中，按上述格式
來引用待用資料成員。

ps:
(1)類的靜態成員函數是屬於整個類而非類的對象，所以它沒有this指標，這就導致了它僅能訪問類的待用資料和靜態成員函數。
(2)不能將靜態成員函數定義為虛函數。
(3)由於靜態成員聲明於類中，操作於其外，所以對其取地址操作，就多少有些特殊，變數地址是指向其資料類型的指標 ，函數地址類型是一個“nonmember函數指標”。
(4)由於靜態成員函數沒有this指標，所以就差不多等同於nonmember函數，結果就產生了一個意想不到的好處：成為一個callback函數，使得我們得以將c++和c-based x window系統結合，同時也成功的應用於線程函數身上。
(5)static並沒有增加程式的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態成員的訪問時間，節省了子類的記憶體空間。
(6)待用資料成員在<定義或說明>時前面加關鍵字static。
(7)待用資料成員是靜態儲存的，所以必須對它進行初始化。
(8)靜態成員初始化與一般資料成員初始化不同:
初始化在類體外進行，而前面不加static，以免與一般靜態變數或對象相混淆；
初始化時不加該成員的存取權限控制符private，public等；
初始化時使用範圍運算子來標明它所屬類；
所以我們得出待用資料成員初始化的格式：
<資料類型><類名>::<待用資料成員名>=<值>
(9)為了防止父類的影響，可以在子類定義一個與父類相同的靜態變數，以屏蔽父類的影響。這裡有一點需要注意：我們說靜態成員為父類和子類共用，但我們有 重複定義了靜態成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器採用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以產生唯一的標誌。

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【轉】全域變數靜態變數

static 聲明的變數在C語言中有兩方面的特徵：
　　1)、變數會被放在程式的全域儲存區中，這樣可以在下一次調用的時候還可以保持原來的賦值。這一點是它與堆棧變數和堆變數的區別。
　　2)、變數用static告知編譯器，自己僅僅在變數的作用範圍內可見。這一點是它與全域變數的區別。
Tips:
　　A.若全域變數僅在單個C檔案中訪問，則可以將這個變數修改為靜態全域變數，以降低模組間的耦合度；
　　B.若全域變數僅由單個函數訪問，則可以將這個變數改為該函數的靜態局部變數，以降低模組間的耦合度；
　　C.設計和使用訪問動態全域變數、靜態全域變數、靜態局部變數的函數時，需要考慮重入問題；
D.如果我們需要一個可重新進入的函數，那麼，我們一定要避免函數中使用static變數(這樣的函數被稱為：帶“內部儲存空間”功能的的函數)
E.函數中必須要使用static變數情況:比如當某函數的傳回值為指標類型時，則必須是static的局部變數的地址作為傳回值，若為auto類型，則返回為錯指標。

函數前加static使得函數成為靜態函數。但此處“static”的含義不是指儲存方式，而是指對函數的範圍僅局限於本檔案(所以又稱內建函式)。使用內建函式的好處是：不同的人編寫不同的函數時，不用擔心自己定義的函數，是否會與其它檔案中的函數同名。

擴充分析:術語static有著不尋常的曆史.起初，在C中引入關鍵字static是為了表示退出一個塊後仍然存在的局部變數。隨後，static在C中有了第二種含義：用來表示不能被其它檔案訪問的全域變數和函數。為了避免引入新的關鍵字，所以仍使用static關鍵字來表示這第二種含義。最後，C++重用了這個關鍵字，並賦予它與前面不同的第三種含義：表示屬於一個類而不是屬於此類的任何特定對象的變數和函數(與Java中此關鍵字的含義相同)。

全域變數、靜態全域變數、靜態局部變數和局部變數的區別
變數可以分為：全域變數、靜態全域變數、靜態局部變數和局部變數。
按儲存地區分，全域變數、靜態全域變數和靜態局部變數都存放在記憶體的靜態儲存地區，局部變數存放在記憶體的棧區。
按範圍分，全域變數在整個工程檔案內都有效；靜態全域變數只在定義它的檔案內有效；靜態局部變數只在定義它的函數內有效，只是程式僅分配一次記憶體，函數返回後，該變數不會消失；局部變數在定義它的函數內有效，但是函數返回後失效。
全域變數(外部變數)的說明之前再冠以static 就構成了靜態全域變數。全域變數本身就是靜態儲存方式， 靜態全域變數當然也是靜態儲存方式。 這兩者在儲存方式上並無不同。這兩者的區別雖在於非靜態全域變數的範圍是整個來源程式， 當一個來源程式由多個源檔案組成時，非靜態全域變數在各個源檔案中都是有效。 而靜態全域變數則限制了其範圍， 即只在定義該變數的源檔案內有效， 在同一來源程式的其它源檔案中不能使用它。由於靜態全域變數的範圍局限於一個源檔案內，只能為該源檔案內的函數公用， 因此可以避免在其它源檔案中引起錯誤。
　　從以上分析可以看出， 把局部變數改變為靜態變數後是改變了它的儲存方式即改變了它的生存期。把全域變數改變為靜態變數後是改變了它的範圍， 限制了它的使用範圍。

　　static函數與普通函數範圍不同。僅在本檔案。只在當前源檔案中使用的函數應該說明為內建函式(static)，內建函式應該在當前源檔案中說明和定義。對於可在當前源檔案以外使用的函數，應該在一個標頭檔中說明，要使用這些函數的源檔案要包含這個標頭檔

　　static全域變數與普通的全域變數有什麼區別：static全域變數只初使化一次，防止在其他檔案單元中被引用;
　　static局部變數和普通局部變數有什麼區別：static局部變數只被初始化一次，下一次依據上一次結果值；
static函數與普通函數有什麼區別：static函數在記憶體中只有一份，普通函數在每個被調用中維持一份拷貝
全域變數和靜態變數如果沒有手工初始化，則由編譯器初始化為0。局部變數的值不可知。

原文地址: http://www.cppblog.com/elva/archive/2009/08/19/93774.html