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C/C++語言學習——內存分配管理

編輯:C++入門知識

C/C++語言學習——內存分配管理


1、一個由C編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分     1、棧區(stack)— 程序運行時由編譯器自動分配,存放函數的參數值,局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。程序結束時由編譯器自動釋放。     2、堆區(heap) — 在內存開辟另一塊存儲區域。一般由程序員分配釋放, 若程序員不釋放,程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似於鏈表。     3、全局區(靜態區)(static)—編譯器編譯時即分配內存。全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的,初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域, 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。 - 程序結束後由系統釋放     4、文字常量區 —常量字符串就是放在這裡的。 程序結束後由系統釋放     5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。     例子程序     復制代碼  1 char aaa[3*2048*2048];  2 int a = 0; //全局初始化區   3 char *p1; //全局未初始化區  4 int  main() {   5 int b;// 棧   6 char s[] = "abc"; //棧 char *p2; //棧   7 char *p3 = "123456"; //"123456/0"在常量區,p3在棧上。static int c =0; //全局(靜態)初始化區  8 p1 = (char *)malloc(10);   9 p2 = (char *)malloc(20);  10 //分配得來得10和20字節的區域就在堆區。  11 strcpy(p1, "123456"); //123456/0放在常量區 12 } 復制代碼 2、內存分配方式有三種:     1、從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好,這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量,static變量。   2、在棧上創建。在執行函數時,函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建,函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置於處理器的指令集中,效率很高,但是分配的內存容量有限。   3、從堆上分配,亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存,程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由程序員決定,使用非常靈活,但如果在堆上分配了空間,就有責任回收它,否則運行的程序會出現內存洩漏,頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。   3.堆與棧的比較   3.1申請方式      stack: 由系統自動分配。 例如,聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在     棧中為b開辟空間。      heap: 需要程序員自己申請,並指明大小,在C中malloc函數,C++中是new運算     符。      如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];      如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];      但是注意p1、p2本身是在棧中的。   3.2申請後系統的響應       棧:只要棧的剩余空間大於所申請空間,系統將為程序提供內存,否則將報異常提    示棧溢出。       堆:首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表,當系統收到程序的申    請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒    結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序。       對於大多數系統,會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代    碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。       由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多余的那部    分重新放入空閒鏈表中。   3.3申請大小的限制       棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這     句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在 WINDOWS下,棧的     大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧     的剩余空間時,將提示overflow。因 此,能從棧獲得的空間較小。       堆:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表    來存儲的空閒內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。    堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也    比較大。   3.4申請效率的比較       棧由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。       堆是由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最    方便。       另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配內存,他不是在堆,也     不是棧,而是直接在進程的地址空間中保留一快內存,雖然用起來最不方便。但是速度    快,也最靈活。   3.5堆和棧中的存儲內容       棧:在函數調用時,第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的下    一條可執行語句)的地址,然後是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由    右往左入棧的,然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。       當本次函數調用結束後,局部變量先出棧,然後是參數,最後棧頂指針指向最開始    存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。       堆:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。   3.6存取效率的比較       char s1[] = "a";       char *s2 = "b";       a是在運行時刻賦值的;而b是在編譯時就確定的;但是,在以後的存取中,在棧    上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。 比如:   復制代碼 1 int main(){ 2     char a = 1; 3     char c[] = "1234567890"; 4     char *p ="1234567890"; 5     a = c[1]; 6     a = p[1]; 7     return 0; 8 } 復制代碼       對應的匯編代碼       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       第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中,而第二種則要先把指     針值讀到edx中,再根據edx讀取字符,顯然慢了。     3.7小結       堆和棧的主要區別由以下幾點:     1、管理方式不同;     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;       管理方式:對於棧來講,是由編譯器自動管理,無需我們手工控制;對於堆來說,    釋放工作由程序員控制,容易產生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麼限制的。但是對於棧來講,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。當然,這個值可以修改。        碎片問題:對於堆來講,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。對於棧來講,則不會存在這個問題,因為棧是先      進後出的隊列,他們是如此的一一對應,以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間     彈出,在他彈出之前,在他上面的後進的棧內容已經被彈出,詳細的可以參考數據結構。        生長方向:對於堆來講,生長方向是向上的,也就是向著內存地址增加的方向;     對於棧來講,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malloca      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,如果沒有足夠大小的空間(可能是由於內存碎片太多),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,然後進     行返回。顯然,堆的效率比棧要低得多。        從這裡我們可以看到,堆和棧相比,由於大量new/delete的使用,容易造成大量    的內存碎片;由於沒有專門的系統支持,效率很低;由於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,但是由於和堆相比不是那麼靈活,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    的結果要麼是程序崩潰,要麼是摧毀程序的堆、棧結構,產生以想不到的結果。   4.new/delete與malloc/free比較   從C++角度上說,使用new分配堆空間可以調用類的構造函數,而malloc()函數僅僅是一個函數調用,它不會調用構造函數,它所接受的參數是一個unsigned long類型。同樣,delete在釋放堆空間之前會調用析構函數,而free函數則不會。   復制代碼  1 class Time{  2   public:  3   Time(int,int,int,string);  4   ~Time(){  5   cout<<"call Time’s destructor by:"<<name<<endl;  6   }  7   private:  8   int hour;  9   int min; 10   int sec; 11   string name; 12   }; 13   Time::Time(int h,int m,int s,string n){ 14   hour=h; 15   min=m; 16   sec=s; 17   name=n; 18   cout<<"call Time’s constructor by:"<<name<<endl; 19   } 20   int main(){ 21   Time *t1; 22   t1=(Time*)malloc(sizeof(Time)); 23   free(t1); 24   Time *t2; 25   t2=new Time(0,0,0,"t2"); 26   delete t2;  27 } 復制代碼 變量的屬性:數據類型、存儲類型、作用域、存儲期。     1、數據類型:就是我們熟悉的int、char、long等,沒什麼說的;     2、存儲類型:auto、static、register、extern四種;     3、作用域:是指程序中可以使用該變量的區域;     4、存儲期:是指變量在內存中的存儲期限。     存儲類型:在下面作用域介紹中有說明。     作用域:有局部變量和全局變量       局部變量:         自動變量(動態局部變量,即:函數內定義的,未用static聲明靜態的局部變量,離開函數,值就消失)         靜態局部變量:(函數內定義的,用static聲明靜態的局部變量,離開函數時,值保留)         寄存器變量:(頻繁使用的變量,放在cpu寄存器中,C++中沒必要,因為這就像內置函數一樣,怎麼處理編譯器說的算,離開函數,值就消失)形參(參數傳遞時,更具情況定義為自動變量或者寄存器變量)       全局變量:         外部變量(外函數外面定義的變量,其他文件可以通過extern聲明後使用,程序結束時消失)         靜態外部變量(其他文件不可以使用,程序結束時消失)     存儲期:動態存儲和靜態存儲       動態存儲:         自動變量(本函數有效)         寄存器變量(本函數有效)         形參(本函數有效)       靜態存儲:         靜態局部變量(本函數有效)         靜態全局變量(本文件有效)         外部變量(其他文件可以引用)     此外還有常量的存儲,動態申請的空間(new,malloc)等,上面已經詳細介紹。

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