C/C++程式記憶體配置詳解

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）— 程式運行時由編譯器自動分配，存放函數的參數值，局部變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。程式結束時由編譯器自動釋放。

2、堆區（heap） — 在記憶體開闢另一Block Storage地區。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 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表，呵呵。

3、全域區（靜態區）（static）—編譯器編譯時間即分配記憶體。全域變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，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和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊地區。 - 程式結束後由系統釋放

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—存放函數體的二進位代碼。

例子程式

這是一個前輩寫的，非常詳細

//main.cpp

int a = 0; 全域初始化區

char *p1; 全域未初始化區

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 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20);

//分配得來得10和20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。

}

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C語言程式的記憶體配置方式

1.記憶體配置方式
記憶體配置方式有三種：
[1]從靜態存 儲地區分配。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內 存泄漏，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
一個程式將操作 系統分配給其啟動並執行記憶體塊分為4個地區，如所示。
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。程式結束後由系統釋放。
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 效的虛擬記憶體。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: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。