C/C++ 記憶體配置方式，堆區，棧區，new/delete/malloc/free

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。

}

 

堆與棧的比較

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。

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 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。

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。

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。

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。

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:t2

call 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

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