程序的内存分配

一、程序的内存分配

   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初始化的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。

二、例子程序

   //main.cpp

   int a = 0;   //全局初始化区

   char *p1;  //全局未初始化区

   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 = (char*)malloc(10);

      p2 = (char*)malloc(20); //分配得来的10和20个字节的区域就在堆区

      strcpy(p1,“123456”);  // 123456\0 存放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。

   }

 

三、堆和栈的理论知识

1申请方式
栈: 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
堆:
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
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2变量本身是在栈中的，只是他们对应的十字节区域分配在堆区。

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
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(一般的，操作系统本身会把零散的内存碎片重新进行重组，构成新的较为大块的空闲内存)。

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。

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.

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。

6存取效率的比较
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而bbbbbbbbbbbbbbbbb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：
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}
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，在根据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：
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小，而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

四、堆内存管理

1 堆内存管理示例

 

2使用malloc和 free的注意事项

(1)刚刚分配的动态内存的初始值是不确定的

(2)不能对同一指针(地址)连续两次进行free操作

(3)不能对指向静态内存区(全局变量)或栈内存区(局部变量)的指针应用free (但可以对空指针NULL应用free)。

(4)对一个指针应用free之后，它的值不会改变，但它指向了一个无效的内存区，这时称该指针为“悬空指针”。

(5)如果没有及时释放某块动态内存，并且将指向它的指针指向了别处，就会造成“内存泄漏”。

(6)执行malloc和free函数有一定的代价，所以对于较小的变量不应该放在动态内存之中，并且尽量避免频繁地分配和释放动态内存。

 

3使用堆内存的常见错误

(1)内存分配未成功，却使用了它。

(2)内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。(误认为初始值为0)

(3)内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。

(4)忘记了释放内存，造成内存泄露。

(5)释放了内存却继续使用它（使用后，应及时将悬空指针设为null）。

 

五、教训和发现

1、全局变量的使用

在做oj的过程中，有一道题是计票统计，其中需要统计每个候选人的票数，当某一票投的不是任何候选人中的一个时，记录为无效票。在这里我使用了全局变量来记录无效票数，但是需要注意的是，当每一个测试用例的过程结束后，一定要把全局变量清零，不然将会影响后续的使用。