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[導(dǎo)讀]在C 中,內(nèi)存分成5個區(qū),他們分別是堆、棧、自由存儲區(qū)、全局/靜態(tài)存儲區(qū)和常量存儲區(qū)。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(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。堆,

在C 中,內(nèi)存分成5個區(qū),他們分別是堆、棧、自由存儲區(qū)、全局/靜態(tài)存儲區(qū)和常量存儲區(qū)。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(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。

堆,就是那些由new分配的內(nèi)存塊,他們的釋放編譯器不去管,由我們的應(yīng)用程序去控制,一般一個new就要對應(yīng)一個delete。如果程序員沒有釋放掉,那么在程序結(jié)束后,操作系統(tǒng)會自動回收。

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

全局/靜態(tài)存儲區(qū),全局變量和靜態(tài)變量被分配到同一塊內(nèi)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(qū)分了,他們共同占用同一塊內(nèi)存區(qū)。

常量存儲區(qū),這是一塊比較特殊的存儲區(qū),他們里面存放的是常量,不允許修改(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(qū)分堆與棧

在bbs上,堆與棧的區(qū)分問題,似乎是一個永恒的話題,由此可見,初學(xué)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(yīng)該想到,我們分配了一塊堆內(nèi)存,那么指針p呢?他分配的是一塊棧內(nèi)存,所以這句話的意思就是:在棧內(nèi)存中存放了一個指向一塊堆內(nèi)存的指針p。在程序會先確定在堆中分配內(nèi)存的大小,然后調(diào)用operator new分配內(nèi)存,然后返回這塊內(nèi)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?yōu)榱撕唵尾]有釋放內(nèi)存,那么該怎么去釋放呢?是delete p么?澳,錯了,應(yīng)該是delete []p,這是為了告訴編譯器:我刪除的是一個數(shù)組,VC6就會根據(jù)相應(yīng)的Cookie信息去進行釋放內(nèi)存的工作。

好了,我們回到我們的主題:堆和棧究竟有什么區(qū)別?

主要的區(qū)別由以下幾點:

1、管理方式不同;

2、空間大小不同;

3、能否產(chǎn)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:對于棧來講,是由編譯器自動管理,無需我們手工控制;對于堆來說,釋放工作由程序員控制,容易產(chǎn)生memory leak。

空間大小:一般來講在32位系統(tǒng)下,堆內(nèi)存可以達到4G的空間,從這個角度來看堆內(nèi)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(好像是,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(shè)定堆棧的最大值和commit。

注意:reserve最小值為4Byte;commit是保留在虛擬內(nèi)存的頁文件里面,它設(shè)置的較大會使棧開辟較大的值,可能增加內(nèi)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(nèi)存空間的不連續(xù),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(yīng),以至于永遠都不可能有一個內(nèi)存塊從棧中間彈出,在他彈出之前,在他上面的后進的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出,詳細的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),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(nèi)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(nèi)存地址減小的方向增長。

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

分配效率:棧是機器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),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(zhí)行,這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C 函數(shù)庫提供的,它的機制是很復(fù)雜的,例如為了分配一塊內(nèi)存,庫函數(shù)會按照一定的算法(具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/操作系統(tǒng))在堆內(nèi)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(可能是由于內(nèi)存碎片太多),就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間,這樣就有機會分到足夠大小的內(nèi)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,容易造成大量的內(nèi)存碎片;由于沒有專門的系統(tǒng)支持,效率很低;由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換,內(nèi)存的申請,代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛的,就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成,函數(shù)調(diào)用過程中的參數(shù),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(nèi)存空間,還是用堆好一些。

無論是堆還是棧,都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生(除非你是故意使其越界),因為越界的結(jié)果要么是程序崩潰,要么是摧毀程序的堆、棧結(jié)構(gòu),產(chǎn)生以想不到的結(jié)果,就算是在你的程序運行過程中,沒有發(fā)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:)

擴展閱讀:如何優(yōu)化C語言(單片機) ?

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