C++内存管理学习堆和栈

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一 C++内存管理

1.内存分配方式　

  在讲解内存分配之前，首先，要了解程序在内存中都有什么区域，然后再详细分析各种分配方式。

1.1 C语言和C++内存分配区

　　下面的三张图，图1图2是一种比较详细的C语言的内存区域分法。图3是典型的C++内存分布图，简单易懂;以下内存分配图，区别就是图1和2则分为初始化和未初始化静态变量区，图3中是全局变量区。

　　C语言(图1和图2)：(由低地址到高地址)

　　a)正文段：用来存放程序执行代码。通常，正文段是可共享的。另外，正文段常常是只读的，一次防止程序由于意外修改其自身。

　　b)初始化数据段：用来存放程序中已初始化的全局变量。数据段属于静态内存分配。

　　c)非初始化数据段：通常称为BSS段， 用来存放程序中未初始化的全局变量。BSS是英文Block Started by Symbol(由符号开始的块)的简称。BSS段属于静态内存分配。 在程序开始执行之前，内核将此段中的数据初始化为0或者空指针。

　　d)堆：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc/free等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上 (堆被扩张)/释放的内存从堆中被剔除(堆被缩减)。

　　e)栈：栈又称堆栈， 存放程序的局部变量(但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量)。除此以外，在函数被调用时，栈用来传递参数和返回值。（为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回地址等存放在栈区）。由于栈 的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。

　　图1 典型C语言内存分布区域 (UNIX高级环境编程) 图2 典型C语言内存分布区域

　　C++(图3)：

　　根据《C++内存管理技术内幕》一书，在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆，栈，自由存续区，全局/静态存续区，常量存续区。

　　a) 栈：内存由编译器在需要时自动分配和释放。通常用来存储局部变量和函数参数。（为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回地址等存放在栈区）。栈运算分配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。

　　b) 堆：内存使用new进行分配，使用delete或delete[]释放。如果未能对内存进行正确的释放，会造成内存泄漏。但在程序结束时，会由操作系统自动回收。

　　c) 自由存储区：使用malloc进行分配，使用free进行回收。和堆类似。

　　d) 全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，C语言中区分初始化和未初始化的，C++中不再区分了。（全局变量、静态数据、常量存放在全局数据区）

　　e) 常量存储区：存储常量，不允许被修改。

　　这里，在一些资料中是这样定义C++内存分配的，可编程内存在基本上分为这样的几大部分：静态存储区、堆区和栈区。他们的功能不同，对他们使用方式也就不同。

　　a)静态存储区：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。它主要存放静态数据、全局数据和常量。

　　b)栈区：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。

　　c)堆区：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或 delete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。 但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，否则，我们认为发生了内存泄漏现象。

　　图3 典型c++内存区域

　　总结：C++与C语言的内存分配存在一些不同，但是整体上就一致的，不会影响程序分析。就C++而言，不管是5部分还是3大部分，只是分法不一致，将5部分中的c)d)e)合在一起则是3部分的a)。

1.2 区分堆、栈、静态存储区

　　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。

(1)静态存储区与栈区

　　1: char* p = “Hello World1”; 2: char a[] = “Hello World2”; 3: p[2] = ‘A’; 4: a[2] = ‘A’; 5: 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。换句话说，在数据区只保留一份相同的数据。

(2)堆与栈区别

　　我们先通过例子1来直观的说明下栈与堆内存的区别，然后在细致分析例子2中的情况。

　　例子1：

　　1: void fn(){ 2: int* p = new int[5]; 3: }

　　看到new，首先应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢? 它分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用 operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中。

　　注意：这里为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢? 是deletep么? NO，错了，应该是delete [ ] p，这是告诉编译器:删除的是一个数组。

　　例子2：

 1 int a = 0; //全局初始化区
 2 char *p1; //全局未初始化区
 3 int main()
 4 {
 5    int b; //栈 
 6    char s[] = "abc"; //栈 
 7    char *p2; //栈 
 8    char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量区，p3在栈上。 
 9    static int c =0; //全局(静态)初始化区 
10    p1 = (char *)malloc(10); 
11    p2 = (char *)malloc(20); 12: //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 
12    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。 
13  }

　　例子3：

 1 char* f1() 
 2 { 
 3     char* p = NULL; 
 4     char a; 
 5     p = &a;
 6     return p; 
 7 } 
 8 
 9 
10 char* f2() 
11 { 
12     char* p = NULL;
13     p =(char*) new char[4]; 
14     return p; 
15 }

　　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：

　　1: char* p ; 2: p = f1(); 3: *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：

　　1: void f() 2: { 3: … 4: char * p; 5: p = (char*)new char[100]; 6: … 7: }

　　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。我们将这种不道德的“流氓行为” (我们不用，却也不让别人使用)称为内存泄漏(memory leak)。

　　综合以上两个例子，我们可以总结一下堆与栈到底有哪些区别!

　　(1)管理方式不同

　　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。

　　(2)空间大小不同

　　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VC6.0下面默认的栈空间大小是1M,可以修改这个值。

　　(3)能否产生碎片不同

　　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。

　　(4)生长方向不同

　　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。(详见第一部分的内存分配图)

　　(5)分配方式不同

　　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alloca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。

　　(6)分配效率不同

　　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。

　　总结：

　　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，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,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难。