内存结构


一、内存的组成

    内存由堆区,栈区,全局静态区,常量区,代码区组成。

二、各个区的含义

    a)栈区:处于相对较高的地址,以地址的增长方向为上的话,栈地址是向下增长的;

    b)堆区:是向上增长的用于分配程序员申请的内存空间。

    c)全局\静态区:静态变量和全局变量是存储在一起的。初始化的全局变量和静态变量存放在一块区域,未初始化的全局变量和静态变量在相邻的另一块区域,程序结束后有系统释放。

    d)常量区:存放常量字符串,程序结束系统释放

    e)代码区 :存放函数的二进制代码

三、一个例子

main.cpp 

int 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);  堆 

    p2 = (char *)malloc(20);  堆 

}

四、堆和栈的区别

(a)申请方式和回收方式不同

    1)栈(satck):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。

    2)堆(heap):需程序员自己申请(调用malloc,realloc,calloc),并指明大小,并由程序员进行释放。容易产生memory leak.

    由于栈上的空间是自动分配自动回收的,所以栈上的数据的生存周期只是在函数的运行过程中,运行后就释放掉,不可以再访问。而堆上的数据只要程序员不释放空间,就一直可以访问到,不过缺点是一旦忘记释放会造成内存泄露。

(b)申请后系统的响应

    1)栈:只要栈的空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。

    2)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,但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free语句才能正确的释放本内存空间。另外,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。

    说明: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。

(c)申请效率

    1)栈由系统自动分配,速度快。但程序员是无法控制。

    2)堆是由malloc分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生碎片,不过用起来最方便。

(d)申请大小的限制

    1)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(也有的说是1M,总之是一个编译时就确定的常数),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。 

    2)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。

(e)堆和栈中的存储内容

    1)栈: 在函数调用时,第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令(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编译器中,参数是由右往左入栈的,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。 

    2)堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

(f)存取效率

    1)堆:char *s1=”hellow tigerjibo”;是在编译是就确定的;

    2)栈:char s1[]=”hellow tigerjibo”;是在运行时赋值的;用数组比用指针速度更快一些,指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下,而数组在栈上读取。


补充:

    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。

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