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【C++】堆記憶體和棧記憶體詳解

一個由C/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分 
1、棧區(stack)— 由編譯器自動分配釋放 ,存放函式的引數值,區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧 
2、堆區(heap) — 一般由程式設計師分配釋放, 若程式設計師不釋放,程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似於連結串列,呵呵。 
3、全域性區(靜態區)(static)—,全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的,初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域, 未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。 - 程式結束後有系統釋放 
4、文字常量區 —常量字串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放  
5、程式程式碼區—存放函式體的二進位制程式碼。 
二、例子程式 
這是一個前輩寫的,非常詳細 
//main.cpp  
int a = 0; 全域性初始化區 
char *p1; 全域性未初始化區 
main() 
{     
     int b; 棧 
     char s[] = "abc"; 棧  
     char *p2; 棧  
     char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區,p3在棧上。  
     static int c =0; 全域性(靜態)初始化區  
     p1 = (char *)malloc(10);  
     p2 = (char *)malloc(20);  
     分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。  
     strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。  
}  
二、堆和棧的理論知識 
2.1申請方式 
stack:由系統自動分配。 例如,宣告在函式中一個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間 
heap:需要程式設計師自己申請,並指明大小,在c中malloc函式如p1 = (char *)malloc(10);在C++中用new運算子如p2 = (char *)malloc(10);但是注意p1、p2本身是在棧中的 
2.2申請後系統的響應 
棧:只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將為程式提供記憶體,否則將報異常提示棧溢位。 
堆: 首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列,當系統收到程式的申請時,會遍歷該連結串列,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒 結點連結串列中刪除,並將該結點的空間分配給程式,另外,對於大多數系統,會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,程式碼中的delete語句 才能正確的釋放本記憶體空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中。  
2.3申請大小的限制 
棧: 在Windows下,棧是向低地址擴充套件的資料結構,是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩餘空間時,將提示overflow。因 此,能從棧獲得的空間較小。 

堆:堆是向高地址擴充套件的資料結構,是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用連結串列來儲存的空閒記憶體地址的,自然是不連續的,而連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。  


2.4申請效率的比較: 
棧由系統自動分配,速度較快。但程式設計師是無法控制的。 
堆 是由new分配的記憶體,一般速度比較慢,而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便. 另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體,他不是在堆,也不是在棧是直接在程序的地址空間中保留一快記憶體,雖然用起來 最不方便。但是速度快,也最靈活  
2.5堆和棧中的儲存內容 
棧: 在函式呼叫時,第一個進棧的是主函式中後的下一條指令(函式呼叫語句的下一條可執行語句)的地址,然後是函式的各個引數,在大多數的C編譯器中,引數是由 右往左入棧的,然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。當本次函式呼叫結束後,區域性變數先出棧,然後是引數,最後棧頂指標指向最開始存的地址, 也就是主函式中的下一條指令,程式由該點繼續執行。  

堆:一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。  

2.6存取效率的比較  
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";  
aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的;而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的;但是,在以後的存取中,在棧上的陣列比指標所指向的字串(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;      
}  
對應的彙編程式碼  
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  
第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中,而第二種則要先把指標值讀到edx中,在根據edx讀取字元,顯然慢了。  
2.7小結: 
堆 和棧的區別可以用如下的比喻來看出:使用棧就象我們去飯館裡吃飯,只管點菜(發出申請)、付錢、和吃(使用),吃飽了就走,不必理會切菜、洗菜等準備工作 和洗碗、刷鍋等掃尾工作,他的好處是快捷,但是自由度小。 使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。  
堆和棧的區別主要分:  
操 作系統方面的堆和棧,如上面說的那些,不多說了。還有就是資料結構方面的堆和棧,這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是(滿足堆性質的)優先佇列的 一種資料結構,第1個元素有最高的優先權;棧實際上就是滿足先進後出的性質的數學或資料結構。雖然堆疊,堆疊的說法是連起來叫,但是他們還是有很大區別 的,連著叫只是由於歷史的原因。