[C++]內存分配

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1、程序內存分配的基本知識

一個由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲如下幾個部分:

一、棧區: 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操做方式相似於數據結構中的棧。

二、堆區:通常由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式卻是相似於鏈表。

三、全局區(靜態區):全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另外一塊區域, 程序結束後有系統釋放。

四、文字常量區:常量字符串就是放在這裏, 程序結束後由系統釋放。

五、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

例子程序
這是一個前輩寫的，很是詳細
//main.cpp
int a = 0; //全局初始化區
char *p1;  //全局未初始化區
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；      //全局（靜態）初始化區
     p1 = (char *)malloc(10);
     p2 = (char *)malloc(20);      //分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
     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"優化成一個地方

　 return 0;

}

棧是單獨的空間,連續分配,從高地址到低地址;其餘的區域都是從低到高的。

2、堆和棧的理論知識

2.1申請方式

棧:由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間
堆:須要程序員本身申請，並指明大小，在c中malloc函數,c++用new.

2.2申請後系統的響應

棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，不然將報異常提示棧溢出。

堆：首先應該知道操做系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大數系統，會在這塊內存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內存空間。另外，因爲找到的堆結點的大小不必定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分從新放入空閒鏈表中。

2.3申請大小的限制
棧：在Linux下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。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 Linux下，使用ulimit -a得知棧的大小是8192K（是一個編譯時就肯定的常數），若是申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。所以，能從棧得到的空間較小。

堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是因爲系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，天然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。因而可知，堆得到的空間比較靈活，也比較大。

2.4申請效率的比較：

棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是沒法控制的。
堆是由new分配的內存，通常速度比較慢，並且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，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內存，雖然用起來最不方便。可是速度快，也最靈活.

2.5堆和棧中的存儲內容

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，而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，而後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

堆：通常是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排.

2.6存取效率的比較

這是程序員面試寶典裏的例子,拿來分析一下:

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就肯定的；

可是，在之後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
好比：
#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符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，在根據edx讀取字符，顯然慢了。

2.6棧與堆的比較

棧是系統提供的功能，特色是快速高效，缺點是有限制，數據不靈活；而堆是函數庫提供的功能，特色是靈活方便，數據適應面普遍，可是效率有必定下降。棧是系統數據結構，對於進程/線程是惟一的；堆是函數庫內部數據結構，不必定惟一。不一樣堆分配的內存邏輯上沒法互相操做。棧空間分靜態分配和動態分配兩種。靜態分配是編譯器完成的，好比自動變量(auto)的分配。動態分配由alloca函數完成。棧的動態分配無需釋放(是自動的)，也就沒有釋放函數。爲可移植的程序起見，棧的動態分配操做是不被鼓勵的！堆空間的分配老是動態的，雖然程序結束時全部的數據空間都會被釋放回系統，可是精確的申請內存/釋放內存匹配是良好程序的基本要素 

小結:

堆(heap)和棧(stack)是C/C++編程不可避免會碰到的兩個基本概念。

      首先，這兩個概念均可以在講數據結構的書中找到，他們都是基本的數據結構，雖然棧更爲簡單一些。

      在具體的C/C++編程框架中，這兩個概念並非並行的。對底層機器代碼的研究能夠揭示，棧是機器系統提供的數據結構，而堆則是C/C++函數庫提供的。

      具體地說，現代計算機(串行執行機制)，都直接在代碼底層支持棧的數據結構。這體如今，有專門的寄存器指向棧所在的地址，有專門的機器指令完成數據入棧出棧的操做。這種機制的特色是效率高，支持的數據有限，通常是整數，指針，浮點數等系統直接支持的數據類型，並不直接支持其餘的數據結構。由於棧的這種特色，對棧的使用在程序中是很是頻繁的。對子程序的調用就是直接利用棧完成的。機器的call指令裏隱含了把返回地址推入棧，而後跳轉至子程序地址的操做，而子程序中的ret指令則隱含從堆棧中彈出返回地址並跳轉之的操做。C/C++中的自動變量是直接利用棧的例子，這也就是爲何當函數返回時，該函數的自動變量自動失效的緣由(由於堆棧恢復了調用前的狀態)。

     和棧不一樣，堆的數據結構並非由系統(不管是機器系統仍是操做系統)支持的，而是由函數庫提供的。基本的malloc/realloc/free函數維護了一套內部的堆數據結構。當程序使用這些函數去得到新的內存空間時，這套函數首先試圖從內部堆中尋找可用的內存空間，若是沒有可使用的內存空間，則試圖利用系統調用來動態增長程序數據段的內存大小，新分配獲得的空間首先被組織進內部堆中去，而後再以適當的形式返回給調用者。當程序釋放分配的內存空間時，這片內存空間被返回內部堆結構中，可能會被適當的處理(好比和其餘空閒空間合併成更大的空閒空間)，以更適合下一次內存分配申請。這套複雜的分配機制實際上至關於一個內存分配的緩衝池(Cache)，使用這套機制有以下若干緣由：

    1. 系統調用可能不支持任意大小的內存分配。有些系統的系統調用只支持固定大小及其倍數的內存請求(按頁分配)；這樣的話對於大量的小內存分類來講會形成浪費。

    2. 系統調用申請內存多是代價昂貴的。系統調用可能涉及用戶態和核心態的轉換。

    3. 沒有管理的內存分配在大量複雜內存的分配釋放操做下很容易形成內存碎片。