C/C++語言學習——內存分配管理
1、一個由C編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分
1、棧區（stack）— 程序運行時由編譯器自動分配，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。程序結束時由編譯器自動釋放。
2、堆區（heap） — 在內存開辟另一塊存儲區域。一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表。
3、全局區（靜態區）（static）—編譯器編譯時即分配內存。全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。 - 程序結束後由系統釋放
4、文字常量區 —常量字符串就是放在這裡的。 程序結束後由系統釋放
5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。
例子程序
復制代碼
1 char aaa[3*2048*2048];
2 int a = 0; //全局初始化區
3 char *p1; //全局未初始化區
4 int main() {
5 int b;// 棧
6 char s[] = "abc"; //棧 char *p2; //棧
7 char *p3 = "123456"; //"123456/0"在常量區，p3在棧上。static int c =0； //全局（靜態）初始化區
8 p1 = (char *)malloc(10);
9 p2 = (char *)malloc(20);
10 //分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
11 strcpy(p1, "123456"); //123456/0放在常量區
12 }
復制代碼
2、內存分配方式有三種：
1、從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量，static變量。
2、在棧上創建。在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。
3、從堆上分配，亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存，程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由程序員決定，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責任回收它，否則運行的程序會出現內存洩漏，頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。
3．堆與棧的比較
3.1申請方式
stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在 棧中為b開辟空間。
heap: 需要程序員自己申請，並指明大小，在C中malloc函數，C++中是new運算 符。
如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
3.2申請後系統的響應
棧：只要棧的剩余空間大於所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提 示棧溢出。
堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申 請時，會遍歷該鏈表，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 結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序。
對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代 碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。
由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多余的那部 分重新放入空閒鏈表中。
3.3申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。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 的剩余空間時，將提示overflow。因 此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表 來存儲的空閒內存地址的，自然是不連續的，而鏈表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內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也 比較大。
3.4申請效率的比較
棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。
堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片,不過用起來最 方便。
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也 不是棧，而是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度 快，也最靈活。
3.5堆和棧中的存儲內容
棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下 一條可執行語句）的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由 右往左入棧的，然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，然後是參數，最後棧頂指針指向最開始 存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。
3.6存取效率的比較
char s1[] = "a";
char *s2 = "b";
a是在運行時刻賦值的；而b是在編譯時就確定的；但是，在以後的存取中，在棧 上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。 比如：
復制代碼
1 int main(){
2 char a = 1;
3 char c[] = "1234567890";
4 char *p ="1234567890";
5 a = c[1];
6 a = p[1];
7 return 0;
8 }
復制代碼
對應的匯編代碼
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符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指 針值讀到edx中，再根據edx讀取字符，顯然慢了。
3.7小結
堆和棧的主要區別由以下幾點：
1、管理方式不同；
2、空間大小不同；
3、能否產生碎片不同；
4、生長方向不同；
5、分配方式不同；
6、分配效率不同；
管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說， 釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。
空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看 堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如， 在VC6下面，默認的棧空間大小是1M。當然，這個值可以修改。
碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而 造成大量的碎片，使程序效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先 進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間 彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構。
生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內存地址增加的方向； 對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內存地址減小的方向增長。
分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配 和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由malloca 函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放， 無需我們手工實現。
分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專 門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。 堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會 按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足 夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於內存碎片太多），就有可能調用 系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分 到足夠大小的內存，然後進 行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。
從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量 的內存碎片；由於沒有專門的系統支持，效率很低；由於可能引發用戶態和核心態的切 換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的 調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址， EBP和局部變量都采用棧 的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。
雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的 內存空間，還是用堆好一些。
無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界 的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果。
4.new/delete與malloc/free比較
從C++角度上說，使用new分配堆空間可以調用類的構造函數，而malloc()函數僅僅是一個函數調用，它不會調用構造函數，它所接受的參數是一個unsigned long類型。同樣，delete在釋放堆空間之前會調用析構函數，而free函數則不會。
復制代碼
1 class Time{
2 public:
3 Time(int,int,int,string);
4 ~Time(){
5 cout<<"call Time’s destructor by:"<<name<<endl;
6 }
7 private:
8 int hour;
9 int min;
10 int sec;
11 string name;
12 };
13 Time::Time(int h,int m,int s,string n){
14 hour=h;
15 min=m;
16 sec=s;
17 name=n;
18 cout<<"call Time’s constructor by:"<<name<<endl;
19 }
20 int main(){
21 Time *t1;
22 t1=(Time*)malloc(sizeof(Time));
23 free(t1);
24 Time *t2;
25 t2=new Time(0,0,0,"t2");
26 delete t2;
27 ｝
復制代碼
變量的屬性：數據類型、存儲類型、作用域、存儲期。
1、數據類型：就是我們熟悉的int、char、long等，沒什麼說的；
2、存儲類型：auto、static、register、extern四種；
3、作用域：是指程序中可以使用該變量的區域；
4、存儲期：是指變量在內存中的存儲期限。
存儲類型：在下面作用域介紹中有說明。
作用域：有局部變量和全局變量
局部變量：
自動變量（動態局部變量，即：函數內定義的，未用static聲明靜態的局部變量，離開函數，值就消失）
靜態局部變量:（函數內定義的，用static聲明靜態的局部變量，離開函數時，值保留）
寄存器變量:（頻繁使用的變量，放在cpu寄存器中，C++中沒必要，因為這就像內置函數一樣，怎麼處理編譯器說的算，離開函數，值就消失）形參（參數傳遞時，更具情況定義為自動變量或者寄存器變量）
全局變量：
外部變量（外函數外面定義的變量，其他文件可以通過extern聲明後使用，程序結束時消失）
靜態外部變量（其他文件不可以使用，程序結束時消失）
存儲期：動態存儲和靜態存儲
動態存儲：
自動變量（本函數有效）
寄存器變量（本函數有效）
形參（本函數有效）
靜態存儲：
靜態局部變量（本函數有效）
靜態全局變量(本文件有效)
外部變量（其他文件可以引用）
此外還有常量的存儲，動態申請的空間（new,malloc）等，上面已經詳細介紹。
