C/C++语言学习——内存分配管理

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1、一个由C编译的程序占用的内存分为以下几个部分

　　1、栈区（stack）— 程序运行时由编译器自动分配，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。程序结束时由编译器自动释放。

　　2、堆区（heap） — 在内存开辟另一块存储区域。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。

　　3、全局区（静态区）（static）—编译器编译时即分配内存。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。

　　例子程序

 1 char aaa[3*2048*2048];
 2 int a = 0; //全局初始化区 
 3 char *p1; //全局未初始化区
 4 int  main() { 
 5 int b;// 栈 
 6 char s[] = "abc"; //栈 char *p2; //栈 
 7 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
 8 p1 = (char *)malloc(10); 
 9 p2 = (char *)malloc(20); 
10 //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 
11 strcpy(p1, "123456"); //123456/0放在常量区
12 }

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2、内存分配方式有三种：

　　1、从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。
　　2、在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
　　3、从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

3．堆与栈的比较
　　3.1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，C++中是new运算     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本身是在栈中的。
　　3.2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。
　    　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。
　　    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。
　　3.3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。
　　3.4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     不是栈，而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。
　　3.5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。堆中的具体内容有程序员安排。
　　3.6存取效率的比较
　　    char s1[] = "a";
　    　char *s2 = "b";
　　    a是在运行时刻赋值的；而b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：　　　

　　　　

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 }

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　　    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。

　　3.7小结
　　    堆和栈的主要区别由以下几点：
　　　　1、管理方式不同；
　　　　2、空间大小不同；
　　　　3、能否产生碎片不同；
　　　　4、生长方向不同；
　　　　5、分配方式不同；
　　　　6、分配效率不同；
　　    管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，    释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
　　    空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看     堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，    在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。当然，这个值可以修改。
　     　碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而     造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先      进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间     弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构。
　　     生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；     对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。
　　     分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配    和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由malloca      函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，    无需我们手工实现。
　    　分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专    门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。    堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会    按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足     够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用     系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分 到足够大小的内存，然后进     行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。
　　     从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量    的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切    换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的    调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址， EBP和局部变量都采用栈     的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。
　　     虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的     内存空间，还是用堆好一些。
　     　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界    的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果。

4.new/delete与malloc/free比较
　　从C++角度上说，使用new分配堆空间可以调用类的构造函数，而malloc()函数仅仅是一个函数调用，它不会调用构造函数，它所接受的参数是一个unsigned long类型。同样，delete在释放堆空间之前会调用析构函数，而free函数则不会。　　

 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 ｝

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变量的属性：数据类型、存储类型、作用域、存储期。

　　1、数据类型：就是我们熟悉的int、char、long等，没什么说的；

　　2、存储类型：auto、static、register、extern四种；

　　3、作用域：是指程序中可以使用该变量的区域；

　　4、存储期：是指变量在内存中的存储期限。

　　存储类型：在下面作用域介绍中有说明。

　　作用域：有局部变量和全局变量

　　　　局部变量：

　　　　　　自动变量（动态局部变量，即：函数内定义的，未用static声明静态的局部变量，离开函数，值就消失）

　　　　　　静态局部变量:（函数内定义的，用static声明静态的局部变量，离开函数时，值保留）

　　　　　　寄存器变量:（频繁使用的变量，放在cpu寄存器中，C++中没必要，因为这就像内置函数一样，怎么处理编译器说的算，离开函数，值就消失）形参（参数传递时，更具情况定义为自动变量或者寄存器变量）

　　　　全局变量：

　　　　　　外部变量（外函数外面定义的变量，其他文件可以通过extern声明后使用，程序结束时消失）

　　　　　　静态外部变量（其他文件不可以使用，程序结束时消失）

　　存储期：动态存储和静态存储

　　　　动态存储：

　　　　　　自动变量（本函数有效）

　　　　　　寄存器变量（本函数有效）

　　　　　　形参（本函数有效）

　　　　静态存储：

　　　　　　静态局部变量（本函数有效）

　　　　　　静态全局变量(本文件有效)

　　　　　　外部变量（其他文件可以引用）

　　此外还有常量的存储，动态申请的空间（new,malloc）等，上面已经详细介绍。

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