C++記憶體配置

  很多人都覺得學習C++是特別困難的事情。C＋＋學習是比較複雜的：它的記憶體配置、指標、以及物件導向思想的實現等等，確實需要一定的技術積累。我們將以專題的形式，為大家逐一剖析c＋＋的技術重點和痛點。

    本專題討論的就是記憶體配置。學習c＋＋如果不瞭解記憶體配置是一件非常可悲的事情。而且，可以這樣講，一個C＋＋程式員無法掌握記憶體、無法瞭解記憶體，是不能夠成為一個合格的C＋＋程式員的。

    一、記憶體基本構成
    可程式化記憶體在基本上分為這樣的幾大部分：靜態儲存區、堆區和棧區。他們的功能不同，對他們使用方式也就不同。
    靜態儲存區：記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個運行期間都存在。它主要存放待用資料、全域資料和常量。
    棧區：在執行函數時，函數內局部變數的儲存單元都可以在棧上建立，函數執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體配置運算內建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。
   堆區：亦稱動態記憶體分配。程式在啟動並執行時候用malloc或new申請任意大小的記憶體，程式員自己負責在適當的時候用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期可以由我們決定，如果我們不釋放記憶體，程式將在最後才釋放掉動態記憶體。但是，良好的編程習慣是：如果某動態記憶體不再使用，需要將其釋放掉，否則，我們認為發生了記憶體流失現象。

    二、三者之間的區別
    我們通過程式碼片段來看看對這樣的三部分記憶體需要怎樣的操作和不同，以及應該注意怎樣的地方。
    例一：靜態儲存區與棧區

char* p = “Hello World1”;

char a[] = “Hello World2”;

p[2] = ‘A’;

a[2] = ‘A’;

 

char* p1 = “Hello World1;”

    這個程式是有錯誤的，錯誤發生在p[2] =‘A’這行代碼處，為什麼呢，是變數p和變數數組a都存在於棧區的（任何臨時變數都是處於棧區的，包括在main（）函數中定義的變數）。但是，資料“Hello World1”和資料“Hello World2”是儲存於不同的地區的。

    因為資料“HelloWorld2”存在於數組中，所以，此資料存放區於棧區，對它修改是沒有任何問題的。因為指標變數p僅僅能夠儲存某個儲存空間的地址，資料“HelloWorld1”為字串常量，所以儲存在靜態儲存區。雖然通過p[2]可以訪問到靜態儲存區中的第三個資料單元，即字元‘l’所在的儲存的單元。但是因為資料“HelloWorld1”為字串常量，不可以改變，所以在程式運行時，會報告記憶體錯誤。並且，如果此時對p和p1輸出的時候會發現p和p1裡面儲存的地址是完全相同的。換句話說，在資料區只保留一份相同的資料（見圖1－1）。

    例二：棧區與堆區

char*  f1()

{

   char* p = NULL;

   char a;

   p = &a;

   return p;

}

char* f2()

{

   char* p = NULL:

   p =(char*)  new  char[4];

   return p;

}

   這兩個函數都是將某個儲存空間的地址返回，二者有何區別呢？f1()函數雖然返回的是一個儲存空間，但是此空間為臨時空間。也就是說，此空間只有短暫的生命週期，它的生命週期在函數f1()調用結束時，也就失去了它的生命價值，即：此空間被釋放掉。所以，當調用f1()函數時，如果程式中有下面的語句：

 

char* p ;

p = f1();

*p = ‘a’;

   此時，編譯並不會報告錯誤，但是在程式運行時，會發生異常錯誤。因為，你對不應該操作的記憶體（即，已經釋放掉的儲存空間）進行了操作。但是，相比之下，f2()函數不會有任何問題。因為，new這個命令是在堆中申請儲存空間，一旦申請成功，除非你將其delete或者程式終結，這塊記憶體將一直存在。也可以這樣理解，堆記憶體是共用單元，能夠被多個函數共同訪問。如果你需要有多個資料返回卻苦無辦法，堆記憶體將是一個很好的選擇。但是一定要避免下面的事情發生：

 

void f()

{

   …

   char * p;

   p = (char*)new char[100];

   …

}

   這個程式做了一件很無意義並且會帶來很大危害的事情。因為，雖然申請了堆記憶體，p儲存了堆記憶體的首地址。但是，此變數是臨時變數，當函數調用結束時p變數消失。也就是說，再也沒有變數儲存這塊堆記憶體的首地址，我們將永遠無法再使用那塊堆記憶體了。但是，這塊堆記憶體卻一直標識被你所使用（因為沒有到程式結束，你也沒有將其delete，所以這塊堆記憶體一直被標識擁有者是當前您的程式），進而其他進程或程式無法使用。我們將這種不道德的“流氓行為”（我們不用，卻也不讓別人使用）稱為記憶體流失。這是我們C++程式員的大忌！！請大家一定要避免這件事情的發生。

   總之，對於堆區、棧區和靜態儲存區它們之間最大的不同在於，棧的生命週期很短暫。但是堆區和靜態儲存區的生命週期相當於與程式的生命同時存在（如果您不在程式運行中間將堆記憶體delete的話），我們將這種變數或資料成為全域變數或資料。但是，對於堆區的記憶體空間使用更加靈活，因為它允許你在不需要它的時候，隨時將它釋放掉，而靜態儲存區將一直存在於程式的整個生命週期中。
我們此專題僅僅是簡要的分析了記憶體基本構成以及使用它們時需要注意的問題。對記憶體的分析和討論將一直貫穿於我們以後所有的專題，這也就是為什麼把它作為第一講的原因。

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記憶體配置方式，堆區，棧區，new/delete/malloc/free

1.記憶體配置方式記憶體配置方式有三種：[1]從靜態儲存地區分配。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個運行期間都存在。例如全域變數，static變數。[2]在棧上建立。在執行函數時，函數內局部變數的儲存單元都可以在棧上建立，函數執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體配置運算內建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。程式在啟動並執行時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式員自己負責在何時用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期由程式員決定，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責任回收它，否則啟動並執行程式會出現記憶體流失，頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。2.程式的記憶體空間一個程式將作業系統分配給其啟動並執行記憶體塊分為4個地區，如所示。

代碼區(code area)	程式記憶體空間
全域資料區(data area)
堆區(heap area)
棧區(stack area)

一個由C/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分,1、棧區（stack）   由編譯器自動分配釋放 ，存放為運行函數而分配的局部變數、函數參數、返回資料、返回地址等。其操作方式類似於資料結構中的棧。2、堆區（heap）    一般由程式員分配釋放， 若程式員不釋放，程式結束時可能由OS回收 。分配方式類似於鏈表。3、全域區（靜態區）（static）存放全域變數、待用資料、常量。程式結束後有系統釋放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、程式代碼區存放函數體（類成員函數和全域函數）的二進位代碼。下面給出例子程式

，

int a = 0; //全域初始化區char *p1; //全域未初始化區int main() { int b; //棧char s[] = \"abc\"; //棧char *p2; //棧char *p3 = \"123456\"; //123456\\0在常量區，p3在棧上。static int c =0;//全域（靜態）初始化區p1 = new char[10]; p2 = new char[20]; //分配得來得和位元組的地區就在堆區。strcpy(p1, \"123456\"); //123456\\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的\"123456\"最佳化成一個地方。}

3．堆與棧的比較3.1申請方式stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間。heap: 需要程式員自己申請，並指明大小，在C中malloc函數，C++中是new運算子。如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10]; 如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20]; 但是注意p1、p2本身是在棧中的。3.2申請後系統的響應棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢出。堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閑記憶體位址的鏈表，當系統收到程式的申請時，會遍曆該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閑結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程式。對於大多數系統，會在這塊記憶體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記憶體空間。由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閑鏈表中。3.3申請大小的限制 棧：在Windows下,棧是向低地址擴充的資料結構，是一塊連續的記憶體的地區。這句話的意思是棧頂的地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，總之是一個編譯時間就確定的常數），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。堆：堆是向高地址擴充的資料結構，是不連續的記憶體地區。這是由於系統是用鏈表來儲存的空閑記憶體位址的，自然是不連續的，而鏈表的遍曆方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於電腦系統中有效虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。3.4申請效率的比較棧由系統自動分配，速度較快。但程式員是無法控制的。堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體片段,不過用起來最方便。另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體，他不是在堆，也不是棧，而是直接在進程的地址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。3.5堆和棧中的儲存內容 棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變數。注意靜態變數是不入棧的。當本次函數調用結束後，局部變數先出棧，然後是參數，最後棧頂指標指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程式由該點繼續運行。堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式員安排。3.6存取效率的比較char s1[] = \"a\"; char *s2 = \"b\"; a是在運行時刻賦值的；而b是在編譯時間就確定的；但是，在以後的存取中，在棧上的數組比指標所指向的字串(例如堆)快。 比如：

int main(){ char a = 1; char c[] = \"1234567890\"; char *p =\"1234567890\"; a = c[1]; a = p[1]; return 0; }

對應的彙編代碼

10: a = c[1]; 00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 11: 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

第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，再根據edx讀取字元，顯然慢了。3.7小結堆和棧的主要區別由以下幾點：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。當然，這個值可以修改。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。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malloca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。4.new/delete與malloc/free比較從C++角度上說，使用new分配堆空間可以調用類的建構函式，而malloc()函數僅僅是一個函數調用，它不會調用建構函式，它所接受的參數是一個unsigned long類型。同樣，delete在釋放堆空間之前會調用解構函式，而free函數則不會。

class Time{public:    Time(int,int,int,string);    ~Time(){       cout<<\"call Time\'s destructor by:\"<<name<<endl;    }private:    int hour;    int min;    int sec;    string name;}; Time::Time(int h,int m,int s,string n){hour=h;min=m;sec=s;name=n;cout<<\"call Time\'s constructor by:\"<<name<<endl;} int main(){Time *t1;t1=(Time*)malloc(sizeof(Time)); free(t1);Time *t2;t2=new Time(0,0,0,\"t2\");delete t2;system(\"PAUSE\");return EXIT_SUCCESS;}

結果：call Time\'s constructor by:t2call Time\'s destructor by:t2從結果可以看出，使用new/delete可以調用對象的建構函式與解構函式，並且樣本中調用的是一個非預設建構函式。但在堆上指派至數組時，只能調用預設建構函式，不能調用其他任何建構函式。