堆、栈以及静态区域的区别

一、内存基本构成
可编程内存在基本上分为这样的几大部分:静态存储区、堆区和栈区。他们的功能不同,对他们使用方式也就不同。

  • 堆区:亦称动态内存分配。程序在运行的时候用mallocnew申请任意大小的内存,程序员自己负责在适当的时候用freedelete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定,如果某动态内存不再使用,需要将其释放掉,否则就会发生内存泄漏现象。
    (OC中对象存储于堆中,当对象的应用计数为0时自动释放该对象)

  • 栈区:在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。
    (OC中 非对象变量 都存在栈中)

  • 静态存储区:内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。它主要存放静态数据全局数据常量

二、使用时需注意的规则

  • 【规则1】用malloc 或new 申请内存之后,应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL的内存。
  • 【规则2】不要忘记为数组动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
  • 【规则3】避免数组指针的下标越界,特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
  • 【规则4】动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏
  • 【规则5】用free 或delete 释放了内存之后,立即将指针设置为NULL,防止产生野指针

三、堆与栈的讨论

1、管理方式:
  • 堆中资源由程序员控制(容易产生memory leak),
  • 栈中资源由编译器自动管理,无需手工控制。
2、系统响应:
  • 对于堆,应知道系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序申请时,遍历该链表,寻找第一个空间大于申请空间的堆结点,删除空闲结点链表中的该结点,并将该结点空间分配给程序(大多数系统会在这块内存空间首地址记录本次分配的大小,这样delete才能正确释放本内存空间,另外系统会将多余的部分重新放入空闲链表中)。
  • 对于栈,只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统为程序提供内存,否则报异常提示栈溢出。
3、空间大小:
  • 堆是不连续的内存区域(因为系统是用链表来存储空闲内存地址),堆大小受限于计算机系统中有效虚拟内存(32bit系统理论上是4G),所以堆的空间比较灵活,比较大。
  • 栈是一块连续的内存区域,大小是操作系统预定好的,windows下栈大小是2M(也有是1M,在编译时确定,VC中可设置)。
4、碎片问题:
  • 对于堆,频繁的new/delete会造成大量碎片,使程序效率降低。
  • 对于栈,它是一个先进后出的队列,进出一一对应,不会产生碎片。
5、生长方向:
  • 堆向上,向高地址方向增长。
  • 栈向下,向低地址方向增长。
6、分配方式:
  • 堆都是动态分配(没有静态分配的堆)。
  • 栈有静态分配动态分配
    静态分配由编译器完成(如局部变量分配),
    动态分配由alloca函数分配,但栈的动态分配的资源由编译器进行释放,无需程序员实现。
7、分配效率:
  • 堆由C/C++函数库提供,机制很复杂。所以堆的效率比栈很多。
  • 栈是基于系统提供的数据结构,计算机在底层对栈提供支持,分配专门寄存器存放栈地址,栈操作有专门指令

四、为什么要把堆和栈区分出来

1、从软件设计的角度看,栈代表了处理逻辑,而堆代表了数据。这种隔离、模块化的思想,使得处理逻辑更为清晰
2、使得中的内容可以被多个栈共享(也可以理解为多个线程访问同一个对象
  • 一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如:共享内存)
  • 另一方面,堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问,节省了空间
3、使得动态增长成为可能,相应栈中只需记录堆中的一个地址即可

栈因为运行时的需要,比如保存系统运行的上下文,需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长,因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同,堆中的对象是可以根据需要动态增长的

4、面向对象就是堆和栈的完美结合。

对象的属性其实就是数据,存放在中;而对象的行为(方法),就是运行逻辑,放在中。我们在编写对象的时候,其实即编写了数据结构,也编写的处理数据的逻辑

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