C 堆栈和内存的关系

程序运行中的内存分配

　　程序运行时，特别要注意的是内存的分配。有六个地方都可以保存数据： 　　(1) 寄存器。这是最快的保存区域，因为它位于和其他所有保存方式不同的地方：处理器内部。然而，寄存器的数量十分有限，所以寄存器是根据需要由编译器分配。我们对此没有直接的控制权，也不可能在自己的程序里找到寄存器存在的任何踪迹。 　　(2) 堆栈。驻留于常规RAM（随机访问存储器）区域，但可通过它的“堆栈指针”获得处理的直接支持。堆栈指针若向下移，会创建新的内存；若向上移，则会释放那些内存。这是一种特别快、特别有效的数据保存方式，仅次于寄存器。创建程序时，Java编译器必须准确地知道堆栈内保存的所有数据的“长度”以及“存在时间”。这是由于它必须生成相应的代码，以便向上和向下移动指针。这一限制无疑影响了程序的灵活性，所以尽管有些Java数据要保存在堆栈里——特别是对象句柄，但Java对象并不放到其中。 　　(3) 堆。一种常规用途的内存池（也在RAM区域），其中保存了Java对象。和堆栈不同，“内存堆”或“堆”（Heap）最吸引人的地方在于编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间，也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间。因此，用堆保存数据时会得到更大的灵活性。要求创建一个对象时，只需用new命令编制相关的代码即可。执行这些代码时，会在堆里自动进行数据的保存。当然，为达到这种灵活性，必然会付出一定的代价：在堆里分配存储空间时会花掉更长的时间！ 　　(4) 静态存储。这儿的“静态”（Static）是指“位于固定位置”（尽管也在RAM里）。程序运行期间，静态存储的数据将随时等候调用。可用static关键字指出一个对象的特定元素是静态的。但Java对象本身永远都不会置入静态存储空间。 　　(5) 常数存储。常数值通常直接置于程序代码内部。这样做是安全的，因为它们永远都不会改变。有的常数需要严格地保护，所以可考虑将它们置入只读存储器（ROM）。 　　(6) 非RAM存储。若数据完全独立于一个程序之外，则程序不运行时仍可存在，并在程序的控制范围之外。其中两个最主要的例子便是“流式对象”和“固定对象”。对于流式对象，对象会变成字节流，通常会发给另一台机器。而对于固定对象，对象保存在磁盘中。即使程序中止运行，它们仍可保持自己的状态不变。对于这些类型的数据存储，一个特别有用的技巧就是它们能存在于其他媒体中。

堆栈

堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。要点：堆：顺序随意栈：后进先出(Last-In/First-Out)

一、预备知识—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）— 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 　　这是一个前辈写的，非常详细 　　//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); 　　} 　　分配得来得10和20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。

堆和栈的理论知识

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 　　如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10); 　　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。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. 　　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,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活

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函数调用后的下一条指令（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"; 　　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(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），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，他的好处是快捷，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。

堆和栈的主要分别：

　　操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。 　　还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足后进先出的性质的数学或数据结构。 　　虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。

  

堆与栈的分布

补充

　　堆栈是一种存储部件，即数据的写入跟读出不需要提供地址，而是根据写入的顺序决定读出的顺序，甚至能将它们恢复成普通的、基于RAM的对象。

五大内存分区
   在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。
   栈，就是那些由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。
   堆，就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。
   自由存储区，就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。
   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，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。
   常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改（当然，你要通过非正当手段也可以修改，而且方法很多）
明确区分堆与栈
   在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿

他第一个开刀。
   首先，我们举一个例子：
    void f() {int* p=new int[5]; }
   这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他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。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operatornew分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代

码如下：
   00401028  push       14h
   0040102A  call       operator new (00401060)
   0040102F  add        esp,4
   00401032  mov        dword ptr [ebp-8],eax
   00401035  mov        eax,dword ptr [ebp-8]
   00401038  mov        dword ptr [ebp-4],eax
   这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？澳，错了，应该是delete[]p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。
   好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？
   主要的区别由以下几点：
   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memoryleak。
   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（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：    
   打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。
   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，这里我们就不再一一讨论了。
   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。
   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,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可是相当困难的：）
   对了，还有一件事，如果有人把堆栈合起来说，那它的意思是栈，可不是堆，呵呵，清楚了？
static用来控制变量的存储方式和可见性函数内部定义的变量，在程序执行到它的定义处时，编译器为它在栈上分配空间，函数在栈上分配的空间在此函数执行结束时会释放掉，这样就产生了一个问题:如果想将函数中此变量的值保存至下一次调用时，如何实现？最容易想到的方法是定义一个全局的变量，但定义为一个全局变量有许多缺点，最明显的缺点是破坏了此变量的访问范围（使得在此函数中定义的变量，不仅仅受此函数控制）。需要一个数据对象为整个类而非某个对象服务,同时又力求不破坏类的封装性,即要求此成员隐藏在类的内部，对外不可见。
   static的内部机制：
   静态数据成员要在程序一开始运行时就必须存在。因为函数在程序运行中被调用，所以静态数据成员不能在任何函数内分配空间和初始化。
   这样，它的空间分配有三个可能的地方，一是作为类的外部接口的头文件，那里有类声明；二是类定义的内部实现，那里有类的成员函数定义；三是应用程序的main（）函数前的全局数据声明和定义处。
   静态数据成员要实际地分配空间，故不能在类的声明中定义（只能声明数据成员）。类声明只声明一个类的"尺寸和规格"，并不进行实际的内存分配，所以在类声明中写成定义是错误的。它也不能在头文件中类声明的外部定义，因为那会造成在多个使用该类的源文件中，对其重复定义。
   static被引入以告知编译器，将变量存储在程序的静态存储区而非栈上空间，静态
数据成员按定义出现的先后顺序依次初始化，注意静态成员嵌套时，要保证所嵌套的成员已经初始化了。消除时的顺序是初始化的反顺序。
   static的优势：
   可以节省内存，因为它是所有对象所公有的，因此，对多个对象来说，静态数据成员只存储一处，供所有对象共用。静态数据成员的值对每个对象都是一样，但它的值是可以更新的。只要对静态数据成员的值更新一次，保证所有对象存取更新后的相同的值，这样可以提高时间效率。
   引用静态数据成员时，采用如下格式：
   <类名>::<静态成员名>
   如果静态数据成员的访问权限允许的话(即public的成员)，可在程序中，按上述格式来引用静态数据成员。
      PS:
     (1)类的静态成员函数是属于整个类而非类的对象，所以它没有this指针，这就导致了它仅能访问类的静态数据和静态成员函数。
     (2)不能将静态成员函数定义为虚函数。
     (3)由于静态成员声明于类中，操作于其外，所以对其取地址操作，就多少有些特殊，变量地址是指向其数据类型的指针，函数地址类型是一个"nonmember函数指针"。
     (4)由于静态成员函数没有this指针，所以就差不多等同于nonmember函数，结果就产生了一个意想不到的好处：成为一个callback函数，使得我们得以将C++和C-basedX Window系统结合，同时也成功的应用于线程函数身上。
     (5)static并没有增加程序的时空开销，相反她还缩短了子类对父类静态成员的访问时间，节省了子类的内存空

间。
     (6)静态数据成员在<定义或说明>时前面加关键字static。
     (7)静态数据成员是静态存储的，所以必须对它进行初始化。
     (8)静态成员初始化与一般数据成员初始化不同:
     初始化在类体外进行，而前面不加static，以免与一般静态变量或对象相混淆；
     初始化时不加该成员的访问权限控制符private，public等；
     初始化时使用作用域运算符来标明它所属类；
     所以我们得出静态数据成员初始化的格式：
     <数据类型><类名>::<静态数据成员名>=<值>
     (9)为了防止父类的影响，可以在子类定义一个与父类相同的静态变量，以屏蔽父类的影响。这里有一点需要注意：我们说静态成员为父类和子类共享，但我们有重复定义了静态成员，这会不会引起错误呢？不会，我们的编译器采用了一种绝妙的手法：name-mangling用以生成唯一的标志。
一个非常详细例子
//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);  // 分配得来得10和20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。
}