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[转]内存分配知识：全局，局部，静态变量

2009-02-24 10:20

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。 - 程序结束后有系统释放 
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。

一个正常的程序在内存中通常分为程序段，数据端和堆栈三部分。程序段里放着程序的机器码和只读数据，这个段通常是只读，对它的写操作是非法的。数据段放的是程序中的静态数据。动态数据则通过堆栈来存放。在内存中，它们的位置如下： 
+------------------+ 内存低端 
| 程序段 | 
|------------------| 
| 数据段 | 
|------------------| 
| 堆栈 | 
+------------------+ 内存高端 
堆栈是内存中的一个连续的块。一个叫堆栈指针的寄存器（SP）指向堆栈的栈顶。堆栈的底部是一个固定地址。堆栈有一个特点就是，后进先出。也就是说，后放入的数据第一个取出。它支持两个操作，PUSH和POP。PUSH是将数据放到栈的顶端，POP是将栈顶的数据取出。
在高级语言中，程序函数调用和函数中的临时变量都用到堆栈。为什么呢？因为在调用一个函数时，我们需要对当前的操作进行保护，也为了函数执行后，程序可以 正确的找到地方继续执行，所以参数的传递和返回值也用到了堆栈。通常对局部变量的引用是通过给出它们对SP的偏移量来实现的。另外还有一个基址指针 （FP，在Intel芯片中是BP），许多编译器实际上是用它来引用本地变量和参数的。通常，参数的相对FP的偏移是正的，局部变量是负的。 
当程序中发生函数调用时，计算机做如下操作：首先把参数压入堆栈；然后保存指令寄存器(IP)中的内容，做为返回地址(RET)；第三个放入堆栈的是基址 寄存器(FP)；然后把当前的栈指针(SP)拷贝到FP，做为新的基地址；最后为本地变量留出一定空间，把SP减去适当的数值。 

在函数体中定义的变量通常是在栈上，用malloc, calloc, realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。在所有函数体外定义的是全局量，加了static修饰符后不管在哪里都存放在全局区（静态区）,在 所有函数体外定义的static变量表示在该文件中有效，不能extern到别的文件用，在函数体内定义的static表示只在该函数体内有效。另外，函 数中的"adgfdf"这样的字符串存放在常量区。

对比：
1 性能
栈：栈存在于RAM中。栈是动态的，它的存储速度是第二快的。stack
堆：堆位于RAM中，是一个通用的内存池。所有的对象都存储在堆中。heap

2 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 = (char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在栈中的。

3 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。

4 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。

5 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快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

6 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。堆中的具体内容有程序员安排。

7 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，在根据edx读取字符，显然慢了。 

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。

全局变量、静态数据、常量存放在全局数据区，所有函数的代码存放在代码区，为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等存放在栈区。   
所以在同一个进程里，多个任务（线程）的全局变量和静态变量都应该是共享同一块内存（全局数据区）   
而在不同的进程里，重新加载了代码，各个进程间的全局变量和静态变量当然不是拥有同一块内存。   
在psos下，各个任务是不同的线程，所以各个任务的全局变量和静态变量是在同一块内存。而我的另一个程序中（在sco unix），是每次运行都是一个新的进程，所以各个进程的全局变量和静态变量拥有不同的内存