C/C++堆、棧及待用資料區詳解

五大記憶體分區

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，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 W

indow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。