C++內存分配方式詳解——堆、棧、自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區

棧，就是那些由編譯器在須要的時候分配，在不須要的時候自動清除的變量的存儲區。裏面的變量一般是局部變量、函數參數等。在一個進程中，位於用戶虛擬地址空間頂部的是用戶棧，編譯器用它來實現函數的調用。和堆同樣，用戶棧在程序執行期間能夠動態地擴展和收縮。

　　堆，就是那些由 new 分配的內存塊，他們的釋放編譯器不去管，由咱們的應用程序去控制，通常一個 new 就要對應一個 delete。若是程序員沒有釋放掉，那麼在程序結束後，操做系統會自動回收。堆能夠動態地擴展和收縮。

　　自由存儲區，就是那些由 malloc 等分配的內存塊，他和堆是十分類似的，不過它是用 free 來結束本身的生命的。

　　全局/靜態存儲區，全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，在之前的 C 語言中，全局變量又分爲初始化的和未初始化的（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與靜態變量在相鄰的另外一塊區域，同時未被初始化的對象存儲區能夠經過 void* 來訪問和操縱，程序結束後由系統自行釋放），在 C++ 裏面沒有這個區分了，他們共同佔用同一塊內存區。

　　常量存儲區，這是一塊比較特殊的存儲區，他們裏面存放的是常量，不容許修改（固然，你要經過非正當手段也能夠修改，並且方法不少）

　　明確區分堆與棧

　　在 BBS 上，堆與棧的區分問題，彷佛是一個永恆的話題，因而可知，初學者對此每每是混淆不清的，因此我決定拿他第一個開刀。

　　首先，咱們舉一個例子：

 

void f() { int* p=newint[5]; }

　　這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到 new，咱們首先就應該想到，咱們分配了一塊堆內存，那麼指針 p 呢？他分配的是一塊棧內存，因此這句話的意思就是：在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針 p。在程序會先肯定在堆中分配內存的大小，而後調用 operator new 分配內存，而後返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在 VC6 下的彙編代碼以下：

　　00401028push         14h
　　0040102Acall         operator new (00401060)
　　0040102Fadd          esp,4
　　00401032mov          dword ptr [ebp-8],eax
　　00401035mov          eax,dword ptr [ebp-8]
　　00401038mov          dword ptr [ebp-4],eax

　　這裏，咱們爲了簡單並無釋放內存，那麼該怎麼去釋放呢？是 delete p 麼？噢，錯了，應該是 delete []p，這是爲了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6 就會根據相應的 Cookie 信息去進行釋放內存的工做。

　　好了，咱們回到咱們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？

　　主要的區別由如下幾點：

　　一、管理方式不一樣；

　　二、空間大小不一樣；

　　三、可否產生碎片不一樣；

　　四、生長方向不一樣；

　　五、分配方式不一樣；

　　六、分配效率不一樣；

　　管理方式：對於棧來說，是由編譯器自動管理，無需咱們手工控制；對於堆來講，釋放工做由程序員控制，容易產生memory leak。

　　空間大小：通常來說在 32 位系統下，堆內存能夠達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什麼限制的。可是對於棧來說，通常都是有必定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。固然，咱們能夠修改：打開工程，依次操做菜單以下：Project->Setting->Link，在 Category 中選中 Output，而後在 Reserve 中設定堆棧的最大值和 commit。注意：reserve 最小值爲 4Byte；commit 是保留在虛擬內存的頁文件裏面，它設置的較大會使棧開闢較大的值，可能增長內存的開銷和啓動時間。

　　碎片問題：對於堆來說，頻繁的 new/delete 勢必會形成內存空間的不連續，從而形成大量的碎片，使程序效率下降。對於棧來說，則不會存在這個問題，由於棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以致於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出以前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的能夠參考數據結構，這裏咱們就再也不一一討論了。

　　生長方向：對於堆來說，生長方向是向上的，也就是向着內存地址增長的方向；對於棧來說，它的生長方向是向下的，是向着內存地址減少的方向增加。

　　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，好比局部變量的分配。動態分配由 malloc 函數進行分配，可是棧的動態分配和堆是不一樣的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需咱們手工實現。

　　分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：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，例如爲了分配一塊內存，庫函數會按照必定的算法（具體的算法能夠參考數據結構/操做系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，若是沒有足夠大小的空間（多是因爲內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增長程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，而後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

　　從這裏咱們能夠看到，堆和棧相比，因爲大量 new/delete 的使用，容易形成大量的內存碎片；因爲沒有專門的系統支持，效率很低；因爲可能引起用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。因此棧在程序中是應用最普遍的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程當中的參數，返回地址，EBP 和局部變量都採用棧的方式存放。因此，咱們推薦你們儘可能用棧，而不是用堆。

　　雖然棧有如此衆多的好處，可是因爲和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的內存空間，仍是用堆好一些。

　　不管是堆仍是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），由於越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程序運行過程當中，沒有發生上面的問題，你仍是要當心，說不定何時就崩掉，那時候 debug 但是至關困難的 ：）

　　對了，還有一件事，若是有人把堆棧合起來講，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？

　　static 用來控制變量的存儲方式和可見性

　　函數內部定義的變量，在程序執行到它的定義處時，編譯器爲它在棧上分配空間，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: 若是想將函數中此變量的值保存至下一次調用時，如何實現？ 最容易想到的方法是定義一個全局的變量，但定義爲一個全局變量有許多缺點，最明顯的缺點是破壞了此變量的訪問範圍（使得在此函數中定義的變量，不只僅受此 函數控制）。須要一個數據對象爲整個類而非某個對象服務，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：

　　靜態數據成員要在程序一開始運行時就必須存在。由於函數在程序運行中被調用，因此靜態數據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，一是做爲類的外部接口的頭文件，那裏有類聲明；二是類定義的內部實現，那裏有類的成員函數定義；三是應用程序的 main(）函數前的全局數據聲明和定義處。

　　靜態數據成員要實際地分配空間，故不能在類的聲明中定義（只能聲明數據成員）。類聲明只聲明一個類的「尺寸和規格」，並不進行實際的內存分配，因此在類聲明中寫成定義是錯誤的。它也不能在頭文件中類聲明的外部定義，由於那會形成在多個使用該類的源文件中，對其重複定義。

　　static 被引入以告知編譯器，將變量存儲在程序的靜態存儲區而非棧上空間，靜態數據成員按定義出現的前後順序依次初始化，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 的優點：

　　能夠節省內存，由於它是全部對象所公有的，所以，對多個對象來講，靜態數據成員只存儲一處，供全部對象共用。靜態數據成員的值對每一個對象都是同樣，但它的 值是能夠更新的。只要對靜態數據成員的值更新一次，保證全部對象存取更新後的相同的值，這樣能夠提升時間效率。引用靜態數據成員時，採用以下格式：

　　<類名>::<靜態成員名>

　　若是靜態數據成員的訪問權限容許的話(即 public 的成員)，可在程序中，按上述格式來引用靜態數據成員。

　　

Ps：

　　(1) 類的靜態成員函數是屬於整個類而非類的對象，因此它沒有this指針，這就致使了它僅能訪問類的靜態數據和靜態成員函數。

　　(2) 不能將靜態成員函數定義爲虛函數。

　　(3) 因爲靜態成員聲明於類中，操做於其外，因此對其取地址操做，就多少有些特殊，變量地址是指向其數據類型的指針，函數地址類型是一個「nonmember 函數指針」。

　　(4) 因爲靜態成員函數沒有 this 指針，因此就差很少等同於 nonmember 函數，結果就產生了一個意想不到的好處：成爲一個 callback 函數，使得咱們得以將 c++ 和 c-based x window 系統結合，同時也成功的應用於線程函數身上。

　　(5) static 並無增長程序的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態成員的訪問時間，節省了子類的內存空間。

　　(6) 靜態數據成員在<定義或說明>時前面加關鍵字 static。

　　(7) 靜態數據成員是靜態存儲的，因此必須對它進行初始化。

　　(8) 靜態成員初始化與通常數據成員初始化不一樣：

　　初始化在類體外進行，而前面不加 static，以避免與通常靜態變量或對象相混淆；

　　初始化時不加該成員的訪問權限控制符 private、public；

　　初始化時使用做用域運算符來標明它所屬類；

　　因此咱們得出靜態數據成員初始化的格式：

　　<數據類型><類名>::<靜態數據成員名>=<值>

 　　(9) 爲了防止父類的影響，能夠在子類定義一個與父類相同的靜態變量，以屏蔽父類的影響。這裏有一點須要注意：咱們說靜態成員爲父類和子類共享，但咱們有重複定義了靜態成員，這會不會引發錯誤呢？不會，咱們的編譯器採用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成惟一的標誌。