堆、栈解疑

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。