c/c++程序内存分配原理

C/C++程序中致命的内存分配问题

你是否曾经这样定义过变量：int a[50]; ？或许你会说，这是一句再普通不过的代
码了。那么int a[1000000]; 呢？int a[512][512]; 呢？用了这么久的VC，直到

今天才发现，自己连最基本的东西还没弄清楚。请看下面的这篇文章：

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）——由编译器自动分配和释放，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）——一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，则程序结束时可能由操作系统回收。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，呵。
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、举例说明

// main.cpp#include <malloc.h>#include <string.h>int a = 0; // 全局初始化区char* p1; // 全局未初始化区void 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。    free(p1);    free(p2);}

三、堆和栈的理论知识

1、申请方式
栈：由系统自动分配。例如，声明在函数中的一个局部变量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 中使用malloc 函数，在C++中使用new运算符。例如：
char *p1, *p2;
p1 = (char*) malloc(10); // C（当然也可以在C++中）
p2 = new char[10]; // C++

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的空间，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 语句才能正确地释放本内存空间。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1M（也有说是2M 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 或new 分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来很方便。
另外，在Windows 下，最好的方式是用VirtualAlloc 分配内存，它不是在堆，也不是在栈，而是直接在进程的地址空间中保留一快内存。虽然用起来很不方便，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。
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：
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：
06: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl, byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4], cl
07: 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。

四、小结

上面讲了这么多，其实堆和栈的区别可以用下面形象的比喻来描述：

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，他的好处是快捷，但是自由度较小。而使用堆就像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，而且自由度较大。

本文摘自http://vcer.net/3784.html，有修改。