面试题sizeof和五大内存分区

        今天看了一个面试题，是关于sizeof以及变量在内存中的补齐的。如下

#include <iostream>using namespace std;class A1{    public:    int c;  //栈    static int b;  //全局(静态)区    A1();    ~A1();};class A2{    public:    int a; //栈    char c;  //栈    A2();    ~A2();};class A3{    public:    float a;    char c;    A3();    ~A3();};class A4{    public:    flaot a;    int b;    char c;    A4();    ~A4();};class A5{    public:    double d;    float a;    int b;    char c;    A5();    ~A5();};int main(){    cout << sizeof(A1) << endl;    cout << siseof(A2) << endl;    cout << sizeof(A3) << endl;    cout << sizeof(A4) << endl;    cout << sizeof(A5) << endl;    return 0;}

        解析：因为静态变量是存放在全局数据区的，而sizeof计算栈中分配的大小，是不会计

算在内的，所以sizeof(A1)是4。
● 为了照顾数据对齐，int大小为4，char大小为1，所以sizeof(A2)是8。
● 为了照顾数据对齐，float大小为4，char大小为1，所以sizeof(A3)是8。
● 为了照顾数据对齐，float大小为4，int大小为4，char大小为1，所以sizeof(A3)是12。
● 为了照顾数据对齐，double大小为8，float大小为4，int大小为4，char大小为1，所以
sizeof(A3)是24。
        然后发现了几个问题，1.sizeof不能计算全局数据区，什么是全局数据区？
2.sizeof的括号中可以直接用类名，这是什么语法？
3.float是4个字节那么是如何在内存中存储的？

问题1.sizeof不能计算全局数据区，什么是全局数据区？

        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，在《const的思考》一文中，我给出了6种方法）
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？
另一个说法：
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(.data)，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(.bss)。 - 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(.rodata)。 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(.text)

        讲解来自百度。

问题2.sizeof的括号中可以直接用类名，这是什么语法？

        说法1: 首先 sizeof 不是函数 只是一个操作符.sizeof a因为a是数组名，当sizeof作用于一个class 、struct时，返回这些类型对象所占字节数,。当然 有这样一种情况 int a[10] ; void fun(int *a){cout<<sizeof a;}。 fun(a) 出来结果是4 , 数组名作为函数参数时会退化为指针。

        说法2: sizeof是C/C++中的一个操作符（operator），简单的说其作用就是返回一个对象或者类型所占的内存字节数。
sizeof(a) 相当于sizeof(数组类型)*数组长度=sizeof(int)*10=40
sizeof(*a)就表示数组a的第一个元素 sizeof(int)=4
这里表示一个对象或者类型所占的内存字节数，因此sizeof(数组名)时，表示这个数组所占空间的大小
说法3:在C/C++中，sizeof是操作符而不是函数，所以那对()不是必须的，在没有歧意时可以不写。sizeof操作符用来检测系统为跟在后面的变量、类型符分配了多少个字节。下面的代码可帮助理解：

//#include "stdafx.h"//If the vc++6.0, with this line.#include "stdio.h"int main(void){    char x,*p=&x;    printf("%d\n",sizeof p);//输出4,说明系统为p分配了4字节来存放x的地址    printf("%d\n",sizeof *p);//输出1,说明系统为*p分配了1字节,也就是为x分配了1字节    printf("%d\n",sizeof x);//与上一行比较    return 0;}

说法4：

        sizeof是C/C++中的一个操作符（operator），作用就是返回一个对象或者类型所占的内存字节数。返回值类型为size_t，在头文件stddef.h中定义

        这是一个依赖于编译系统的值，一般定义为typedef unsigned int size_t;编译器林林总总，但作为一个规范，都会保证char、signed char和unsigned char的sizeof值为1，毕竟char是编程能用的最小数据类型。
        MSDN上的解释为：
The sizeof keyword gives the amount of storage, in bytes, associated with avariable or a
type (including aggregate types). This keyword returns a value of type size_t.
        语法：
sizeof有三种语法形式，如下：
1) sizeof( object ); // sizeof( 对象 );
2) sizeof( type_name ); // sizeof( 类型 );
3) sizeof object; // sizeof 对象;

问题3.float是4个字节那么是如何在内存中存储的？

        浮点型变量在计算机内存中占用4字节（Byte）,即32-bit。遵循IEEE-754格式标准。

        一个浮点数由2部分组成：底数m 和 指数e。

        ±mantissa × 2exponent
（注意，公式中的mantissa 和 exponent使用二进制表示）
        底数部分　使用2进制数来表示此浮点数的实际值。
        指数部分　占用8-bit的二进制数，可表示数值范围为0－255。　但是指数应可正可负，所以IEEE规定，此处算出的次方须减去127才是真正的指数。所以float的指数可从 -126到128.
        底数部分实际是占用24-bit的一个值，由于其最高位始终为 1 ，所以最高位省去不存储，在存储中只有23-bit。
到目前为止， 底数部分 23位 加上指数部分 8位 使用了31位。那么前面说过，float是占用4个字节即32-bit,那么还有一位是干嘛用的呢？ 还有一位，其实就是4字节中的最高位，用来指示浮点数的正负，当最高位是1时，为负数，最高位是0时，为正数。
        浮点数据就是按下表的格式存储在4个字节中：
Address+0 Address+1 Address+2 Address+3
Contents SEEE EEEE EMMM MMMM MMMM MMMM MMMM MMMM S: 表示浮点数正负，1为负数，0为正数
E: 指数加上127后的值的二进制数
M: 24-bit的底数（只存储23-bit）
        注意：这里有个特例，浮点数 为0时，指数和底数都为0，但此前的公式不成立。因为2的0次方为1，所以，0是个特例。当然，这个特例也不用认为去干扰，编译器会自动去识别。
通过上面的格式，我们下面举例看下-12.5在计算机中存储的具体数据：
Address+0 Address+1 Address+2 Address+3
Contents 0xC1 0x48 0x00 0x00 接下来我们验证下上面的数据表示的到底是不是-12.5，从而也看下它的转换过程。
由于浮点数不是以直接格式存储，他有几部分组成，所以要转换浮点数，首先要把各部分的值分离出来。
Address+0 Address+1 Address+2 Address+3
格式 SEEEEEEE EMMMMMMM MMMMMMMM MMMMMMMM
二进制 11000001 01001000 00000000 00000000
16进制 C1 48 00 00
可见：
S: 为1，是个负数。
E:为 10000010 转为10进制为130，130-127=3，即实际指数部分为3.
M:为 10010000000000000000000。 这里，在底数左边省略存储了一个1，使用 实际底数表示为 1.10010000000000000000000
        到此，我们吧三个部分的值都拎出来了，现在，我们通过指数部分E的值来调整底数部分M的值。调整方法为：如果指数E为负数，底数的小数点向左移，如果指数E为正数，底数的小数点向右移。小数点移动的位数由指数E的绝对值决定。
        这里，E为正3，使用向右移3为即得：
1100.10000000000000000000
        至次，这个结果就是12.5的二进制浮点数，将他换算成10进制数就看到12.5了，如何转换，看下面：
小数点左边的1100 表示为 (1 × 23) + (1 × 22) + (0 × 21) + (0 × 20), 其结果为 12 。
小数点右边的 .100… 表示为 (1 × 2-1) + (0 × 2-2) + (0 × 2-3) + ... ，其结果为.5 。
以上二值的和为12.5， 由于S 为1，使用为负数，即-12.5 。
        所以，16进制 0XC1480000 是浮点数 -12.5 。
        上面是如何将计算机存储中的二进制数如何转换成实际浮点数，下面看下如何将一浮点数装换成计算机存储格式中的二进制数。
        举例将17.625换算成 float型。
        首先，将17.625换算成二进制位：10001.101 ( 0.625 = 0.5+0.125, 0.5即 1/2, 0.125即 1/8 如果不会将小数部分转换成二进制，请参考其他书籍。) 再将 10001.101 向右移，直到小数点前只剩一位 成了 1.0001101 x 2的4次方（因为右移了4位）。此时 我们的底数M和指数E就出来了：
底数部分M，因为小数点前必为1，所以IEEE规定只记录小数点后的就好，所以此处底数为 0001101 。
指数部分E，实际为4，但须加上127，固为131，即二进制数 10000011
符号部分S，由于是正数，所以S为0.
        综上所述，17.625的 float 存储格式就是：
0 10000011 00011010000000000000000
转换成16进制：0x41 8D 00 00
        所以，一看，还是占用了4个字节。