堆和栈理论以及程序内存分配
来源:互联网 发布:服务器常用端口 编辑:程序博客网 时间:2024/06/01 10:16
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:
- 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;
- 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;
- 全局(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静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放;
- 文字常量区:常量字符就是放在这里的。程序结束后由系统释放。
- 程序代码区
//main.cppint 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); // 分配的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}二.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中用malloc函数,如p1 = (char*)malloc(10);
在C++中用new运算符,如p2 = new char[10];但是注意p1和p2本身是在栈中的;
2.申请后系统的相应
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(不一定),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比编译器中,参数是由右向左入栈的,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[] = "aaaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的,而bbbbbbbbbb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快。因为s1是直接把字符串元素读到寄存器中,而s2是先读指针,再根据指针读取字符,显然就慢了。
7.小结
这里引用一个人比喻来看堆和栈的区别:
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,但是自由度小。
使用堆就像是自己动手做自己喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。
看下面这个示例:
main(){ char *c1 = "abc"; char c2[] = "abc"; char *c3 = ( char* )malloc(3); //*c3 = "abc" //error strcpy(c3,"abc"); c3[0] = 'g'; printf("%d %d %s\n",&c1,c1,c1); printf("%d %d %s\n",&c2,c2,c2); printf("%d %d %s\n",&c3,c3,c3); getchar();}
如果按照注释语句那样来写,编译没有问题,但是运行会出错。这事因为“abc”本身是一个字符串常量,存储在常量区,而c3存储这个常量的首地址,所以本身就不是动态分配的空间。那么c3[0] = 'g'相当于向一个常量区写入内容,这当然是不允许的。这里既不能用“=”对c3赋值,也不能用strcat(c3, "abc")对c3进行赋值,正确的做法是用strcpy(c3, "abc")对其进行赋值,然后后面的对c3进行改变才不会报错。
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