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蒙面考拉
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堆、栈解疑

 
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一、预备知识—程序的内存分配 
  一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分 
  1、栈区(stack)—   由编译器自动分配释放   ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其 
  操作方式类似于数据结构中的栈。 
  2、堆区(heap)   —   一般由程序员分配释放,   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,分配方式倒是类似于链表,呵呵。 
  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。 
  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 
  5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。 
  
  
  二、例子程序   
  这是一个前辈写的,非常详细   
  //main.cpp   
  int   a   =   0;   全局初始化区   
  char   *p1;   全局未初始化区   
  main()   
  {   
  int   b;   栈   
  char   s[]   =   "abc";   栈   
  char   *p2;   栈   
  char   *p3   =   "123456";   123456/0在常量区,p3在栈上。   
  static   int   c   =0;   全局(静态)初始化区   
  p1   =   (char   *)malloc(10);   
  p2   =   (char   *)malloc(20);   
  分配得来得10和20字节的区域就在堆区。   
  strcpy(p1,   "123456");   123456/0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。   
  }   
  
  
  二、堆和栈的理论知识   
  2.1申请方式   
  stack:   
  由系统自动分配。   例如,声明在函数中一个局部变量   int   b;   系统自动在栈中为b开辟空 
  间   
  heap:   
  需要程序员自己申请,并指明大小,在c中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、p2本身是在栈中的。   
  
  
  2.2   
  申请后系统的响应   
  栈: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: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。   
  
  2.3申请大小的限制   
  栈: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。   
  堆:堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储 
  的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小 
  受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。   
  
  
  
  2.4申请效率的比较:   
  栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。   
  堆是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.   
  另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈是 
  直接在进程的地址空间中保留一块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。 
    
  
  2.5堆和栈中的存储内容   
  栈:   在函数调用时,第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可 
  执行语句)的地址,然后是函数的各个参数,在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈 
  的,然后是函数中的局部变量。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,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行。   
  堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。   
  
  2.6存取效率的比较   
  
  char   s1[]   =   "aaaaaaaaaaaaaaa";   
  char   *s2   =   "bbbbbbbbbbbbbbbbb";   
  aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的;   
  而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;   
  但是,在以后的存取中,在栈上的数组比指针所指向的字符串(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;   
  }   
  对应的汇编代码   
  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   
  第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指针值读到 
  edx中,再根据edx读取字符,显然慢了。   
  
  
  2.7小结:   
  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(发出申请)、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。  

 

 

 我们通过代码段来看看对这样的三部分内存需要怎样的操作和不同,以及应该注意怎样的地方。

       例一:静态存储区与栈区

    char* p = “Hello World1”;
    char a[] = “Hello World2”;
    p[2] =‘A’;
    a[2] =‘A’;
    char* p1 = “Hello World1;”

         这个程序是有错误的,错误发生在p[2] = ‘A’这行代码处,为什么呢,是变量p和变量数组a都存在于栈区的(任何临时变量都是处于栈区的,包括在main()函数中定义的变量)。但是,数据“Hello World1”和数据“Hello World2”是存储于不同的区域的。因为数据“Hello World2”存在于数组中,所以,此数据存储于栈区,对它修改是没有任何问题的。因为指针变量p仅仅能够存储某个存储空间的地址,数据“Hello World1”为字符串常量,所以存储在静态存储区。虽然通过p[2]可以访问到静态存储区中的第三个数据单元,即字符‘l’所在的存储的单元。但是因为数据“Hello World1”为字符串常量,不可以改变,所以在程序运行时,会报告内存错误。并且,如果此时对p和p1输出的时候会发现p和p1里面保存的地址是完全相同的。

        例二:栈区与堆区

    char* f1()
    {
    char* p = NULL;
    char a;
    p =
    return p;
    }
    char* f2()
    {
    char* p = NULL:
    p =(char*)new char[4];
    return p;
    }

       这两个函数都是将某个存储空间的地址返回,二者有何区别呢?f1()函数虽然返回的是一个存储空间,但是此空间为临时空间。也就是说,此空间只有短暂的生命周期,它的生命周期在函数f1()调用结束时,也就失去了它的生命价值,即:此空间被释放掉。所以,当调用f1()函数时,如果程序中有下面的语句:

    char* p;
    p = f1();
    *p =‘a’;

       此时,编译并不会报告错误,但是在程序运行时,会发生异常错误。因为,你对不应该操作的内存(即,已经释放掉的存储空间)进行了操作。但是,相比之下,f2()函数不会有任何问题。因为,new这个命令是在堆中申请存储空间,一旦申请成功,除非你将其delete或者程序终结,这块内存将一直存在。也可以这样理解,堆内存是共享单元,能够被多个函数共同访问。如果你需要有多个数据返回却苦无办法,堆内存将是一个很好的选择。但是一定要避免下面的事情发生:

    void f()
    {
    …
    char * p;
    p =(char*)new char[100];
    …
    }

       这个程序做了一件很无意义并且会带来很大危害的事情。因为,虽然申请了堆内存,p保存了堆内存的首地址。但是,此变量是临时变量,当函数调用结束时p变量消失。也就是说,再也没有变量存储这块堆内存的首地址,我们将永远无法再使用那块堆内存了。但是,这块堆内存却一直标识被你所使用(因为没有到程序结束,你也没有将其delete,所以这块堆内存一直被标识拥有者是当前您的程序),进而其他进程或程序无法使用。这种不道德的“流氓行为”(我们不用,却也不让别人使用)称为内存泄漏。

       总之,对于堆区、栈区和静态存储区它们之间最大的不同在于,栈的生命周期很短暂。但是堆区和静态存储区的生命周期相当于与程序的生命同时存在(如果您不在程序运行中间将堆内存delete的话),我们将这种变量或数据成为全局变量或数据。但是,对于堆区的内存空间使用更加灵活,因为它允许你在不需要它的时候,随时将它释放掉,而静态存储区将一直存在于程序的整个生命周期中。

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