C++的内存分配区域（esp：堆和栈）

更多有关C++中有关堆与栈的区别：http://blog.sina.com.cn/s/blog_7edcf63b0100yhk9.html

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在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，我们编写的C语言程序基本上都要用到。但对于很多的初学着来说，堆栈是一个很模糊的概念。堆栈：一种数据结构、一个在程序运行时用于

存放的地方，这可能是很多初学者的认识，因为我曾经就是这么想的和汇编语言中的堆栈一词混为一谈。我身边的一些编程的朋友以及在网上看帖遇到的朋友中有好多也说不清堆栈，所以我

想有必要给大家分享一下我对堆栈的看法，有说的不对的地方请朋友们不吝赐教，这对于大家学习会有很大帮助。

 

    首先在数据结构上要知道堆栈，尽管我们这么称呼它，但实际上堆栈是两种数据结构：堆和栈。

 

    堆和栈都是一种数据项按序排列的数据结构。

 

    我们先从大家比较熟悉的栈说起吧，它是一种具有后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。这就如同我们要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比较早的物

体），我们首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。而堆就不同了，堆是一种经过排序的树形数据结构，每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。

堆的特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性，常用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同我们在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放

是有顺序的，但是我们想取任意一本时不必像栈一样，先取出前面所有的书，书架这种机制不同于箱子，我们可以直接取出我们想要的书。

 

    然而我要说的重点并不在这，我要说的堆和栈并不是数据结构的堆和栈，之所以要说数据结构的堆和栈是为了和后面我要说的堆区和栈区区别开来，请大家一定要注意。

 

    下面就说说C++语言程序内存分配中的堆和栈，这里有必要把内存分配也提一下，大家不要嫌我啰嗦，一般情况下程序存放在Rom或Flash中，运行时需要拷到内存中执行，内存会分别存储不

同的信息，如下图所示：

    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（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

变量与静态变量在相邻的另一块区域，同时未被初始化的对象存储区可以通过void*来访问和操纵，程序结束后由系统自行释放），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

//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。 

}

    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operator new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（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？

 

1.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。

    

    也就是说堆会在申请后还要做一些后续的工作这就会引出申请效率的问题。

 

2.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。

 

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.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。

 

5.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