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操作系统中堆和栈详解

简介: 版权声明:本文为博主原创文章,未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/zhaobryant/article/details/42010029 一、程序的内存分配 对于一个由C/C++编译的程序,其所占用的内存可以划分为以下几个部分: 栈区(stack)—— 由操作系统自动分配和释放,主要用于存放函数参数值,局部变量等。
版权声明:本文为博主原创文章,未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/zhaobryant/article/details/42010029

一、程序的内存分配

对于一个由C/C++编译的程序,其所占用的内存可以划分为以下几个部分:

  1. 栈区(stack)—— 由操作系统自动分配和释放,主要用于存放函数参数值,局部变量等。其操作方式类似于数据结构中的栈。 
  2. 堆区(heap)—— 一般由程序员动态分配和释放,若程序员不主动释放,则程序结束后由操作系统回收。注意,它与数据结构中的堆是不同的,分配方式类似于链表。 
  3. BSS段——主要用于存放未初始化的静态变量和全局变量,可读写,它在程序结束后由操作系统进行释放。
  4. 数据段(data)——主要用于存放已初始化的静态变量和全局变量,可读写,它在程序结束后由操作系统释放。
  5. 代码段(text)——主要用于保存程序代码,包括CPU执行的机器指令,同时全局常量也是保存在代码段的,如字符串字面值。

二、程序实例

/main.cpp
int a = 0;                       // 全局初始化区域
char *p1;                        // 全局未初始化区域
int main(){
    int b;                       // 栈
    char s[] = "adoryn";         // 栈
    char *p2;                    // 栈
    char *p3 = "zhaobryant";     // 字符串字面量存放在常量区,p3存放在栈上
    static int c = 0;            // 全局(静态)初始化区域
    p1 = (char *)malloc(10);
    p2 = (char *)malloc(20);     // 分配获得的10和20字节的内存区放在堆区
    strcpy(p1, "zhaobryant");    // 字符串字面量存放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"zhaobryant"优化为同一个地址
    return 0;
}

三、堆和栈的理论知识

1. 申请方式对比

栈stack:

由系统自动分配。例如,声明在函数中一个局部变量,即int b,系统自动在栈中为变量b开辟空间。

堆heap:

需要程序员自己申请,并指明大小。

在C中使用malloc函数,如p1 = (char *)malloc(10)

在C++中用new运算符,如p2 = new char[10]

但是p1、p2本身是在栈中的。

2. 申请后系统响应

栈stack:

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,否则将返回异常提示栈溢出。

堆heap:

首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存块节点的链表,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内存块节点,然后将该节点从空闲节点链表中删除,并将该节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内存空间。另外,由于找到的空闲内存块节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. 申请大小的限制

栈stack:

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。也就是说,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,将提示内存溢出。因此,能从栈获得的空间较小。

堆heap:

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。

4. 申请效率对比

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/malloc进行内存分配,一般速度比较慢,且容易产生内存碎片,不过用起来最方便,速度快,也最灵活。

5. 存储内容对比

栈stack:

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heap:

一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小,堆中的具体内容由程序员安排。

6. 存取效率对比

对比两段代码:

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 

如上,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快。

例如:

#include ...
int main(){
    char a = 1;
    char c[] = "1234567890";
    char *p = "1234567890";
    a = c[1];
    a = p[1];
    return 0;
}

对应的汇编代码:

10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov c1, byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4], c1
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx, dword ptr [ebp-14h]
0040106D 8A 42 01 mov a1, byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4], a1 

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。

7. 小结

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:

  • 使用栈就像我们去饭馆里吃饭,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,其好处是快捷简单,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。

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