内存分配方式

1.内存分配方式

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。

2.程序的内存空间

一个程序将操作系统分配给其运行的内存块分为4个区域，如下图所示。

代码区(code area)

程序内存空间

全局数据区(data area)

 

堆区(heap area)

 

栈区(stack area)

 

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分,

1、栈区（stack）   由编译器自动分配释放 ，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap）   一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。

3、全局区（静态区）（static）存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后有系统释放

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（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

下面给出例子程序，

int a = 0; //全局初始化区

char *p1; //全局未初始化区

int main() {

int b; //栈

char s[] = \"abc\"; //栈

char *p2; //栈

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

p1 = new char[10];

p2 = new char[20];

//分配得来得和字节的区域就在堆区。

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。

}

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：

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 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。

class Time{

public:

    Time(int,int,int,string);

    ~Time(){

       cout<<\"call Time\'s destructor by:\"<<name<<endl;

    }

private:

    int hour;

    int min;

    int sec;

    string name;

};

Time::Time(int h,int m,int s,string n){

hour=h;

min=m;

sec=s;

name=n;

cout<<\"call Time\'s constructor by:\"<<name<<endl;

}

int main(){

Time *t1;

t1=(Time*)malloc(sizeof(Time));

free(t1);

Time *t2;

t2=new Time(0,0,0,\"t2\");

delete t2;

system(\"PAUSE\");

return EXIT_SUCCESS;

}

结果：

call Time\'s constructor by:t2

call Time\'s destructor by:t2

从结果可以看出，使用new/delete可以调用对象的构造函数与析构函数，并且示例中调用的是一个非默认构造函数。但在堆上分配对象数组时，只能调用默认构造函数，不能调用其他任何构造函数。

 

 

.内存分配

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1)、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，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。

2)、堆区（heap） — 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）—，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。

2.理论知识

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 

如p1 = (char *)malloc(10); 

在C++中用new运算符 

但是注意p1、p2本身是在栈中的。 

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，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free,delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，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)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。意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，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。 

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,malloc,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，也不是在栈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。 

5)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。堆中的具体内容由程序员安排。 

3.小结：

1)  about  stack,  system  will  allocate  memory  to  the  instance  of  object  automatically,  and  to  the heap,  you  must  allocate  memory  to  the  instance  of  object  with  new  or  malloc  manually.  

2)  when  function  ends,  system  will  automatically  free  the  memory  area  of  stack,  but  to  the  heap,  you  must  free  the  memory  area  manually  with  free  or  delete,  else  it  will  result  in  memory leak.  

3) 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。  

4）堆上分配的内存可以由我们自己决定，使用较灵活。 

但是堆有以下性能问题：

分配操作造成的速度减慢。光分配就耗费很长时间。最可能导致运行速度减慢原因是空闲列表没有块，所以运行时分配程序代码会耗费周期寻找较大的空闲块，或从后端分配程序分配新块。

 

释放操作造成的速度减慢。释放操作耗费较多周期，主要是启用了收集操作。收集期间，每个释放操作“查找”它的相邻块，取出它们并构造成较大块，然后再把此较大块插入空闲列表。在查找期间，内存可能会随机碰到，从而导致高速缓存不能命中，性能降低。

 

堆竞争造成的速度减慢。当两个或多个线程同时访问数据，而且一个线程继续进行之前必须等待另一个线程完成时就发生竞争。竞争总是导致麻烦；这也是目前多处理器系统遇到的最大问题。当大量使用内存块的应用程序或 DLL 以多线程方式运行（或运行于多处理器系统上）时将导致速度减慢。单一锁定的使用—常用的解决方案—意味着使用堆的所有操作是序列化的。当等待锁定时序列化会引起线程切换上下文。可以想象交叉路口闪烁的红灯处走走停停导致的速度减慢。 竞争通常会导致线程和进程的上下文切换。上下文切换的开销是很大的，但开销更大的是数据从处理器高速缓存中丢失，以及后来线程复活时的数据重建。

堆破坏造成的速度减慢。造成堆破坏的原因是应用程序对堆块的不正确使用。通常情形包括释放已释放的堆块或使用已释放的堆块，以及块的越界重写等明显问题。（破坏不在本文讨论范围之内。有关内存重写和泄漏等其他细节，请参见 Microsoft Visual C++(R) 调试文档 。）

 

频繁的分配和重分配造成的速度减慢。这是使用脚本语言时非常普遍的现象。如字符串被反复分配，随重分配增长和释放。不要这样做，如果可能，尽量分配大字符串和使用缓冲区。另一种方法就是尽量少用连接操作。

竞争是在分配和释放操作中导致速度减慢的问题。理想情况下，希望使用没有竞争和快速分配/释放的堆。可惜，现在还没有这样的通用堆，也许将来会有。

在所有的服务器系统中（如 IIS、MSProxy、DatabaseStacks、网络服务器、 Exchange 和其他）, 堆锁定实在是个大瓶颈。处理器数越多，竞争就越会恶化。

尽量减少堆的使用

现在您明白使用堆时存在的问题了，难道您不想拥有能解决这些问题的超级魔棒吗？我可希望有。但没有魔法能使堆运行加快—因此不要期望在产品出货之前的最后一星期能够大为改观。如果提前规划堆策略，情况将会大大好转。调整使用堆的方法，减少对堆的操作是提高性能的良方。

如何减少使用堆操作？通过利用数据结构内的位置可减少堆操作的次数。请考虑下列实例：

struct ObjectA {

   // objectA 的数据 

}

struct ObjectB {

   // objectB 的数据 

}

// 同时使用 objectA 和 objectB

//

// 使用指针 

//

struct ObjectB {

   struct ObjectA * pObjA;

   // objectB 的数据 

}

//

// 使用嵌入

//

struct ObjectB {

   struct ObjectA pObjA;

   // objectB 的数据 

}

//

// 集合 – 在另一对象内使用 objectA 和 objectB

//

struct ObjectX {

   struct ObjectA  objA;

   struct ObjectB  objB;

}

避免使用指针关联两个数据结构。如果使用指针关联两个数据结构，前面实例中的对象 A 和 B 将被分别分配和释放。这会增加额外开销—我们要避免这种做法。

 

把带指针的子对象嵌入父对象。当对象中有指针时，则意味着对象中有动态元素（百分之八十）和没有引用的新位置。嵌入增加了位置从而减少了进一步分配/释放的需求。这将提高应用程序的性能。

 

合并小对象形成大对象（聚合）。聚合减少分配和释放的块的数量。如果有几个开发者，各自开发设计的不同部分，则最终会有许多小对象需要合并。集成的挑战就是要找到正确的聚合边界。

4.静态变量和普通变量

静态变量和普通变量在内存中的存储位置是严格区分开的，以保证使用静态变量的效率.

静态变量：是应用程序级别的变量，它的生命周期是整个应用程序的生命周期，所有的会话都可以访问的变量，在程序结束后才释放内存空间

普通变量：它只是在当前会话有效，在离开会话、或者页面后，它就无效，空间也会被自动的释放。

5.静态局部变量和普通局部变量

普通局部变量在定义它的函数内有效，函数执行后自动释放空间下一次调用时会被重新分配；静态局部变量只在定义它的函数内有效，只是程序仅分配一次内存，函数返回后，该变量不会消失。

6.静态全局变量和普通全局变量

普通全局变量在整个工程文件内都有效；静态全局变量只在定义它的文件内有效。

7.静态函数和普通函数

在C中static函数叫内部函数,也有成为静态函数的.只能供本文件使用.  普通函数生命周期为工程的结束，通过extern可以实现外部文件或模块的引用

而对于类的静态函数和非静态函数：不同的调用要求决定了它们在使用上的方便程度，非静态成员函数要通过对象调用，所以要求首先建立一个对象；而静态成员函数可不建立对象就可以被使用。因此，与类的非静态数据成员无关的成员函数，虽然可以被定义为非静态函数，但是如果定义为静态函数的话在使用上会更加方便。

另外，如果类的成员函数想作为回调函数来使用，一般情况下只能将它定义为静态成员才行。

最后，谈论一下变量以及函数的存储位置：

全局变量、静态全局变量和静态局部变量都存放在内存的静态存储区域，局部变量存放在内存的栈区；

而函数不是对象，它代表的是一段代码，位于代码段，而不是位于静态存储区。