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[zz] c 与 c++ 中的内存分配

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C语言跟内存分配方式
  (1) 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量,static变量。

  (2) 在栈上创建。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。

  (3)从堆上分配,亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定,使用非常灵活,但问题也最多

 

  C语言跟内存申请相关的函数主要有 alloca,calloc,malloc,free,realloc,sbrk等.

  其中alloca(注意此处没有写错,是alloca )是向栈 申请内存,因此无需释放. malloc分配的内存是位于堆中 的,并且没有初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间.

  calloc则将初始化这部分的内存 ,设置为0. 而realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整 .申请的内存最终需要通过函数free来释放. 而sbrk则是增加数据段的大小 ;

  malloc/calloc/free基本上都是C 函数库实现的,跟OS无关.C函数库内部通过一定的结构来保存当前有多少可用内存.如果程序malloc的大小超出了库里所留存的空间,那么将首先调用 brk系统调用来增加可用空间,然后再分配空间.free时,释放的内存并不立即返回给os,而是保留在内部结构中. 可以打个比方: brk类似于批发,一次性的向OS申请大的内存,而malloc等函数则类似于零售,满足程序运行时的要求.这套机制类似于缓冲.

  使用这套机制的原因: 系统调用不能支持任意大小的内存分配(有的系统调用只支持固定大小以及其倍数的内存申请,这样的话,对于小内存的分配会造成浪费; 系统调用申请内存代价昂贵,涉及到用户态和核心态的转换. 函数malloc()和calloc()都可以用来分配动态内存空间,但两者稍有区别。

 

  malloc()函数有一个参数,即要分配的内存空间的大小:

  Void *malloc(size_t size);

  calloc()函数有两个参数,分别为元素的数目和每个元素的大小,这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小:

  void*calloc(size_t numElements,size_t sizeOfElement);

 

  原型 :extern void *realloc(void *mem_address, unsigned int newsize);

  语法: 指针名=(数据类型*)realloc(要改变内存大小的指针名,新的大小)。   
        头文件 :#include <stdlib.h > 有些编译器需要#include <alloc.h>,在TC2.0中可以使用alloc.h头文件   
        功能 :先按照newsize指定的大小分配空间,将原有数据从头到尾拷贝到新分配的内存区域,而后释放原来   mem_address所指内存区域,同时返回新分配的内存区域的首地址。即重新分配存储器块的地址。   
        返回值 :如果重新分配成功则返回指向被分配内存的指针,否则返回空指针NULL。    
        注意:这里原始内存中的数据还是保持不变的 。当内存不再使用时,应使用free()函数将内存块释放。

 

     如果调用成功,函数malloc()和calloc()都将返回所分配的内存空间的首地址。
   malloc() 函数和calloc()函数的主要区别是前者不能初始化所分配的内存空间,而后者能。如果由malloc()函数分配的内存空间原来没有被使用过,则其中 的每一位可能都是0;反之,如果这部分内存空间曾经被分配、释放和重新分配,则其中可能遗留各种各样的数据。也就是说,使用malloc()函数的程序开 始时(内存空间还没有被重新分配)能正常运行,但经过一段时间后(内存空间已被重新分配)可能会出现问题。

  calloc() 函数会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零,也就是说,如果你是为字符类型或整数类型的元素分配内存,那么这些元素将保证会被初始化为零;如果你是 为指针类型的元素分配内存,那么这些元素通常(但无法保证)会被初始化为空指针;如果你是为实数类型的元素分配内存,那么这些元素可能(只在某些计算机 中)会被初始化为浮点型的零。

  malloc() 函数和calloc()函数的另一点区别是calloc()函数会返回一个由某种对象组成的数组,但malloc()函数只返回一个对象。为了明确是为一 个数组分配内存空间,有些程序员会选用calloc()函数。但是,除了是否初始化所分配的内存空间这一点之外,绝大多数程序员认 为以下两种函数调用方式没有区别:

  calloc(numElements ,sizeOfElement);

  malloc(numElements *sizeOfElement) ;

  需要解释的一点是,理论上(按照ANSIC标准)指 针的算术运算只能在一个指定的数组中进行,但是在实践中,即使C编译程序或翻译器遵循这种规定,许多C 程序还是冲破了这种限制。因此,尽管malloc()函数并不能返回一个数组,它所分配的内存空间仍然能供一个数组使用(对realloc()函数来说同 样如此,尽管它也不能返回一个数组)。

  总之,当你在calloc()函数和malloc()函数之间作选择时,你只需考虑是否要初始化所分配的内存空间,而不用考虑函数是否能返回一个数组。

  当程序运行过程中malloc了,但是没有free 的话,会造成内存泄漏.一部分的内存没有被使用,但是由于没有free,因此系统认为这部分内存还在使用,造成不断的向系统申请内存,是的系统可用内存不 断减少.但是,内存泄漏仅仅指程序在运行时,程序退出时,OS将回收所有的资源.因此,适当的重起一下程序,有时候还是有点作用.

*/

在C++中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区 、全局/静态存储区和常量存储区 。???

  栈,就是那些由编译器在需要的时候分配,在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。

  堆,就是那些由new分配的内存块,他们的释放编译器不去管,由我们的应用程序去控制,一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉,那么在程序结束后,操作系统会自动回收。

  自由存储区,就是那些由malloc等分配的内存块,他和堆是十分相似的,不过它是用free来结束自己的生命的。

  全局/静态存储区,全局变量和静态变量被分配到同一块内存中,在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,在C++里面没有这个区分了,他们共同占用同一块内存区。

  常量存储区,这是一块比较特殊的存储区,他们里面存放的是常量,不允许修改(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多,在《const的思考》一文中,我给出了6种方法)

  明确区分堆与栈


  在bbs上,堆与栈的区分问题,似乎是一个永恒的话题,由此可见,初学者对此往往是混淆不清的,所以我决定拿他第一个开刀。

  首先,我们举一个例子:

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

   这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到new,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针p呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就 是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用operator new分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中,他在VC6下的汇编代码如下:

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

  这里,我们为了简单并没有释放内存,那么该怎么去释放呢?是delete p么?澳,错了,应该是delete []p,这是为了告诉编译器:我删除的是一个数组,VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

  好了,我们回到我们的主题:堆和栈究竟有什么区别?

  主要的区别由以下几点:

  1、管理方式不同;

  2、空间大小不同;

  3、能否产生碎片不同;

  4、生长方向不同;

  5、分配方式不同;

  6、分配效率不同;

  管理方式:对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。

  空间大小: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。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,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。

   碎片问题:对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问 题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详 细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。

  生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。

  分配方式:堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。

   分配效率: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。堆则是C/C++函数库提供的,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。显然,堆的效率比栈要低得多。

  从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete的 使用,容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于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。所以栈在程序中是 应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而 不是用堆。

  虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。

   无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果, 就算是在你的程序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug可是相当困难的:)

 

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