[转]内存划分,堆栈区分

一直对内存区域的划分,程序变量的内存分配问题模糊不清。进行多方参考总结如下。

一、一个经过编译的C/C++的程序占用的内存分成以下几个部分:

1、栈区(stack):由编译器自动分配和释放 ,存放函数的参数值、局部变量的值等,甚至函数的调用过程都是用栈来完成。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区(heap) :一般由程序员手动申请以及释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式类似于链表。
3、全局区(静态区)(static):全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放空间。
4、文字常量区:常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放空间。
5、程序代码区:存放函数体的二进制代码。

下面的例子可以完全展示不同的变量所占的内存区域:

//main.cpp
int a = 0;    // 全局初始化区
char *p1;   // 全局未初始化区
int main()
{
  int b;			//栈中
  char s[] = "abc";	//栈中
  char *p2;		//栈中
  char *p3 = "123456";	//123456在常量区,p3在栈上
  static int c =0;		//全局(静态)初始化区
 
  //以下分配得到的10和20字节的区域就在堆区
  p1 = (char *)malloc(10);
  p2 = (char *)malloc(20);
  strcpy(p1, "123456"); //123456放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方
 
  return 0;
}

二、栈(stack)和堆(heap)具体的区别。

1、在申请方式上
栈(stack): 现在很多人都称之为堆栈,这个时候实际上还是指的栈。它由编译器自动管理,无需我们手工控制。 例如,声明函数中的一个局部变量 int b 系统自动在栈中为b开辟空间;在调用一个函数时,系统自动的给函数的形参变量在栈中开辟空间。
堆(heap): 申请和释放由程序员控制,并指明大小。容易产生memory leak。
在C中使用malloc函数,如:p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符,如:p2 = new char[10];
但是注意p1本身在全局区,而p2本身是在栈中的,只是它们指向的空间是在堆中。

2、申请后系统的响应上
栈(stack):只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。
堆(heap): 首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时, 会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后将该结点从空闲结点链表中删除,并将该结点的空间分配给程序。另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的delete或free语句才能正确的释放本内存空间。另外,由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

3、申请大小的限制
栈(stack):在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在WINDOWS下,栈的大小是2M(也有的说是1M,总之是一个编译时就确定的常数),如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。因此,能从栈获得的空间较小。 例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。当然,我们可以修改:打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在Category 中选中Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意:reserve最小值为4Byte;commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。

堆(heap): 堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域(空闲部分用链表串联起来)。正是由于系统是用链表来存储空闲内存,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。

4、分配空间的效率上
栈(stack):栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。但程序员无法对其进行控制。
堆(heap):是C/C++函数库提供的,由new或malloc分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片。它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。这样可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。显然,堆的效率比栈要低得多。

5、堆和栈中的存储内容
栈(stack):在函数调用时,第一个进栈的是主函数中子函数调用后的下一条指令(子函数调用语句的下一条可执行语句)的地址,然后是子函数的各个形参。在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈的,然后是子函数中的局部变量。注意:静态变量是不入栈的。 当本次函数调用结束后,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存的地址,也就是主函数中子函数调用完成的下一条指令,程序由该点继续运行。
堆(heap):一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小,堆中的具体内容有程序员安排。

6、存取效率的比较
这个应该是显而易见的。拿栈上的数组和堆上的数组来说:

int main()
{
  int arr[5]={1,2,3,4,5};
  int *arr1;
  arr1=new int[5];
  for (int j=0;j<=4;j++)
  {
    arr1[j]=j+6;
  }
  int a=arr[1];
  int b=arr1[1];
  return 0;
}

上面代码中,arr1(局部变量)是在栈中,但是指向的空间确在堆上,两者的存取效率,当然是arr高。因为arr[1]可以直接访问,但是访问arr1[1],首先要访问数组的起始地址arr1,然后才能访问到arr1[1]。

总而言之,言而总之,堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:
使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(声明变量)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。

转自:http://www.ksarea.com/articles/20070829_memory-partition-stack-heap-difference.html

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