局部變數、全域變數、堆、堆棧、靜態和全域【轉】

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轉自：http://blog.csdn.net/jeffade/article/details/7958013

預備知識—程式的記憶體配置 
一個由C/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分 

• 棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放，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。 
• 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 。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。 
• 全域區（靜態區）（static）—，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、未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊地區。 - 程式結束後有系統釋放 
• 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 
• 程式碼區—存放函數體的二進位代碼。

一個正常的程式在記憶體中通常分為程式段、資料端、堆棧三部分。程式段裡放著程式的機器碼、唯讀資料，這個段通常是唯讀，對它的寫操作是非法的。資料區段放的是程式中的待用資料。動態資料則通過堆棧來存放。

在記憶體中，它們的位置如下： 
+------------------+ 記憶體低端 
| 程式段 | 
|------------------| 
| 資料區段 | 
|------------------| 
| 堆棧 | 
+------------------+ 記憶體高端 

 

堆棧是記憶體中的一個連續的塊。一個叫堆棧指標的寄存器（SP）指向堆棧的棧頂。堆棧的底部是一個固定地址。堆棧有一個特點就是，後進先出。也就是說，後放入的資料第一個取出。它支援兩個操作，PUSH和POP。PUSH是將資料放到棧的頂端，POP是將棧頂的資料取出。
在進階語言中，程式函數調用、函數中的臨時變數都用到堆棧。為什麼呢？因為在調用一個函數時，我們需要對當前的操作進行保護，也為了函數執行後，程式可以正確的找到地方繼續執行，所以參數的傳遞和傳回值也用到了堆棧。通常對局部變數的引用是通過給出它們對SP的位移量來實現的。另外還有一個基址指標（FP，在Intel晶片中是BP），許多編譯器實際上是用它來引用本地變數和參數的。通常，參數的相對FP的位移是正的，局部變數是負的。 
當程式中發生函數調用時，電腦做如下操作：首先把參數壓入堆棧；然後儲存指令寄存器(IP)中的內容，做為返回地址(RET)；第三個放入堆棧的是基底位址暫存器(FP)；然後把當前的棧指標(SP)拷貝到FP，做為新的基地址；最後為本地變數留出一定空間，把SP減去適當的數值。 

在函數體中定義的變數通常是在棧上，用malloc, calloc, realloc等分配記憶體的函數分配得到的就是在堆上。在所有函數體外定義的是全域量，加了static修飾符後不管在哪裡都存放在全域區（靜態區），在所有函數體外定義的static變數表示在該檔案中有效，不能extern到別的檔案用；在函數體內定義的static表示只在該函數體內有效。另外，函數中的"adgfdf"這樣的字串存放在常量區。

對比：

1 效能
棧：棧存在於RAM中。棧是動態，它的儲存速度是第二快的。stack
堆：堆位於RAM中，是一個通用的記憶體池。所有的對象都儲存在堆中。heap

2 申請方式
stack【棧】: 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【堆】: 需要程式員自己申請，並指明大小，在c中malloc函數 如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運算子 如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意：p1、p2本身是在棧中的。

3 申請後系統的響應
棧【stack】：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【heap】：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；另外，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。另外，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。

4 申請大小的限制
棧【stack】：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【heap】：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。

5 申請效率的比較
棧【stack】：由系統自動分配，速度較快。但程式員是無法控制的。 

堆【heap】：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，也不是在棧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。

6 堆和棧中的儲存內容
棧【stack】：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【heap】：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。

7 存取效率的比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb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： 
#include 
void main() 
{ 
char a = 1; 
char c[] = "1234567890"; 
char *p ="1234567890"; 
a = c[1]; 
a = p[1]; 
return; 
} 
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，在根據edx讀取字元，顯然慢了。 

小結： 
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出： 
使用棧就象我們去飯館裡吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。 
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

 

局部變數、全域變數、堆、堆棧、靜態和全域【轉】