明晰C++內存分配的五種方法的區別

2019-11-17 05:16:42

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供稿：網友

　　在C++中，內存分成5個區，他們分別是堆、棧、自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區。

　　棧，就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清楚的變量的存儲區。里面的變量通常是局部變量、函數參數等。

　　堆，就是那些由new分配的內存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程序去控制，一般一個new就要對應一個delete。假如程序員沒有釋放掉，那么在程序結束后，操作系統會自動回收。

　　自由存儲區，就是那些由malloc等分配的內存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。

　　全局/靜態存儲區，全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，在以前的C語言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C++里面沒有這個區分了，他們共同占用同一塊內存區。

　　常量存儲區，這是一塊比較非凡的存儲區，他們里面存放的是常量，不答應修改（當然，你要通過非正當手段也可以修改，而且方法很多，在《const的思考》一文中，我給出了6種方法）

　　明確區分堆與棧

　　在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。

　　首先，我們舉一個例子：

void f() { int* p=new int[5]; }

　　這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆內存，那么指針p呢？他分配的是一塊棧內存，所以這句話的意思就是：在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。在程序會先確定在堆中分配內存的大小，然后調用Operator new分配內存，然后返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在VC6下的匯編代碼如下：

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

　　這里，我們為了簡單并沒有釋放內存，那么該怎么去釋放呢？是delete p么？澳，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie信息去進行釋放內存的工作。

　　好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什么區別？

　　主要的區別由以下幾點：

　　1、治理方式不同；

　　2、空間大小不同；

　　3、能否產生碎片不同；

　　4、生長方向不同；

　　5、分配方式不同；

　　6、分配效率不同；

　　治理方式：對于棧來講，是由編譯器自動治理，無需我們手工控制；對于堆來說，釋放工作由程序員控制，輕易產生memory leak。

　　空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M（似乎是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：

　　打開工程，依次操作菜單如下：PRoject->Setting->Link，在Category 中選中Output，然后在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。

　　注重：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬內存的頁文件里面，它設置的較大會使棧開辟較大的值，可能增加內存的開銷和啟動時間。

　　碎片問題：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進后出的隊列，他們是如此的一一對應，以至于永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進的棧內容已經被彈出，具體的可以參考數據結構，這里我們就不再一一討論了。

　　生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內存地址增加的方向；對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內存地址減小的方向增長。

　　分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

　　分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，假如沒有足夠大小的空間（可能是由于內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然后進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

　　從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，輕易造成大量的內存碎片；由于沒有專門的系統支持，效率很低；由于可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址，EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

　　雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。

　　無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程序運行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什么時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的：）

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