内存的堆分配和栈分配

本文详细解析了C++中的内存模型,包括栈区、堆区、全局区、文字常量区和程序代码区的功能及区别。同时,深入探讨了堆和栈的理解,解释了它们的工作原理和分配方式,帮助开发者更好地掌握C++内存管理。

备注:这一部分非常重要,如果错误请及时告知。谢谢!这里是完全参考其他博客。

C++ 内存模型:

   1、栈区:由编译器自动分配和释放,存放函数的参数数值,局部变量的值 

       其操作方式类似于数据结构中的

   2、堆区  一般由用户分配和释放,若用户不释放,程序结束时候由OS回收。

        它与数据结构中堆是两回事,分配方式类似链表

   3、全局区(静态区)static 全局变量和静态变量的存放区域。

       初始化的全局变量和静态变量在一块区域  即:data区

        未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。即:bbs区

        程序结束后由系统释放    (属于堆区)

  4、文字常量区  常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放。coment区    (属于堆区)

  5、程序代码区,存放函数体的二进制代码。 code区


堆和栈的理解

stack:

由系统自动分配。只要栈的剩余空间大于所申请的空间,系统将为程序提供内存,否则将异常提示栈溢出。

windows 下,栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存区域。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(不知道是否正确) 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,将提示overflow。

栈由系统自动分配,速度快。但用户无法控制的。

heap:

需要用户自己申请。在C中malloc函数 char *p1=(char*)malloc(10);C++ 中用new操作符。但是指针本身是在栈中

首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当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

申请的空间的堆节点,然后将该节点从空闲节点链表中删除,并将该节点的空间分配给程序。另外,对于大多数系统,会在这块内存

空间中的首地址的首地址处记录本次分配的大小。这样,代码中的Detele语句才能正确的释放内存空间。另外,由于找到的堆节点的大小

不一定正好等于申请的的大小,系统会自动的将多余的部分重新空闲链表中。

堆是是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是因为系统是用链表来存储的空闲内存地址,自然不是连续的。而链表的遍历方向是由低向高地址。堆的大小受限于计算机系统中的有效的虚拟内存。

堆是由 new 分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

参考:http://wangstar.iteye.com/blog/558812

学习技术不只是为养家糊口,也为夜深人静的时候能够一个人静静享受这其中的乐趣。


注:以上关于堆的描述,联想起所开发的智能电话机电话本的链表地址分配就很好理解。


分类: C++破冰之旅


<think>我们首先分析用户的问题:"内存分别由谁进行分配"。结合之前的引用讨论,我们需要明确(stack)堆(heap)内存分配主体。 根据引用[1]: - (stack):由编译器自动管理内存分配释放。当函数调用时,其局部变量在分配内存;函数结束时,这些内存自动释放。 - 堆(heap):由程序员显式分配释放(例如,在C++中使用`new``delete`,在C中使用`malloc``free`)。 但是,引用[2]指出硬件内存架构没有区分堆,它们都位于主内存中,而堆是由操作系统制定规则,通过虚拟机(如JVM、V8引擎等)动态创建的内存模型的一个抽象概念。 引用[3]则说明堆(heap)是操作系统提供的一个动态内存分配内存抽象,应用程序通过堆获得内存。 因此,我们可以总结: 1. **内存分配者**:主要由编译器(编译时生成指令)在程序运行时自动管理,实际的内存分配释放由程序的运行时环境(包括操作系统硬件)支持。具体来说,编译器在生成代码时,会插入指令来调整指针(如x86的push/pop操作),从而分配或释放帧。操作系统在创建线程或进程时,会为分配初始内存空间。 2. **堆内存分配者**:由程序员通过代码显式请求分配(如调用`malloc`或`new`),但实际的内存分配操作由运行时的内存管理器(例如libc库中的malloc实现)或操作系统的内存管理单元(通过系统调用如brk/sbrk或mmap)来执行。 具体分析如下: ### 一、内存分配 - **分配主体**:编译器生成代码,在函数调用时通过移动指针(例如x86架构的`ESP`/`RSP`寄存器)来动态分配帧。函数返回时,指针回退,自动释放帧。 - **操作系统角色**:在进程创建时,操作系统会为进程分配一块连续的虚拟地址空间作为主线程的。对于多线程程序,每个线程创建时也会分配独立的空间(通常由线程库或操作系统分配)。 - **特点**: - 分配/释放速度快(仅移动指针) - 大小固定(编译时确定或系统限制) - 无需显式管理 ### 二、堆内存分配 - **分配主体**: - **程序员**:通过调用内存分配函数(如`malloc`, `calloc`, `new`等)显式请求堆内存。 - **内存分配器**:运行时库(如glibc的ptmalloc)管理堆内存池,处理分配请求。它会跟踪空闲内存块,执行分割与合并等操作。 - **操作系统**:当堆内存不足时,内存分配器通过系统调用(如`sbrk`或`mmap`)向操作系统申请扩展进程的堆空间。 - **特点**: - 分配/释放由程序员控制(或通过垃圾回收器自动回收,如Java) - 内存空间大但管理复杂 - 存在内存碎片风险 ### 三、分配过程对比 | **特性** | (stack) | 堆(heap) | |------------------|----------------------------------------|-------------------------------------------| | **分配者** | 编译器生成指令,运行时移动指针 | 程序员请求,内存分配器(如glibc)实现 | | **释放者** | 编译器生成指令,函数返回时自动释放 | 程序员显式释放(或由垃圾回收器自动回收) | | **底层支持** | 操作系统分配初始空间,硬件执行指针操作 | 操作系统提供虚拟内存扩展(brk/mmap) | | **分配效率** | 极高(仅移动指针) | 较低(需查找合适内存块,可能触发系统调用) | | **空间限制** | 较小(通常MB级) | 较大(受虚拟内存大小限制) | ### 示例代码分析 ```c #include <stdlib.h> void func() { int a; // 分配(编译器自动插入指令) int *b = malloc(sizeof(int)); // 堆分配:调用malloc->glibc->系统调用 free(b); // 堆释放 } ``` ### 结论 - **内存分配**:由编译器在编译时规划,运行时通过调整指针自动完成,操作系统提供初始内存空间硬件支持。 - **堆内存分配**:由程序员发起请求,通过运行时的内存管理器(如glibc)具体执行,最终由操作系统扩展虚拟内存空间。 --- 相关问题: 1. 内存溢出内存溢出有什么区别? 2. 为什么分配速度比堆快? 3. 垃圾回收机制如何管理堆内存? </think>### 内存分配机制分析 #### 一、内存分配者 1. **编译器主导分配** 编译器在编译期确定大小,生成操作指针的机器指令。函数调用时通过调整指针(如x86的`ESP/RSP`寄存器)自动分配空间: $$ \Delta \text{指针} = -\text{局部变量总大小} $$ 例如函数内的`int a[10]`会直接生成`sub esp, 40`指令[^1]。 2. **操作系统提供基础** 进程启动时操作系统分配初始空间(Linux默认8MB),通过页表映射到物理内存。线程创建时也会分配独立空间[^2]。 3. **硬件加速机制** CPU通过专用寄存器(指针、基址指针)硬件电路实现高速操作,如`PUSH/POP`指令仅需1-3个时钟周期。 #### 二、堆内存分配者 1. **程序员显式请求** 通过内存分配函数发起请求: ```c int* ptr = malloc(1024); // C标准库请求 int* arr = new int[100]; // C++操作符请求 ``` 2. **内存分配器管理** 运行时库(如glibc的`ptmalloc`)管理空闲内存链表: ```mermaid graph LR A[malloc调用] --> B[查找空闲块] B -->|存在| C[分割内存块] B -->|不存在| D[扩展堆空间] D --> E[brk/sbrk系统调用] E --> F[操作系统响应] ``` 3. **操作系统最终执行** 内核通过系统调用响应扩展请求: - `brk()`调整数据段结束地址 - `mmap()`直接映射匿名页(大内存时使用) 分配物理页并更新页表[^3]。 #### 三、关键对比 | **特性** | (stack) | 堆(heap) | |-----------------|----------------------------|------------------------------| | **分配主体** | 编译器+CPU硬件 | 程序员+内存分配器+操作系统 | | **分配时机** | 函数调用时自动 | 显式请求时动态分配 | | **释放机制** | 函数返回时自动释放 | 需手动释放(free/delete) | | **空间扩展** | 固定大小(可能溢出) | 可动态增长(受虚拟内存限制) | | **速度成本** | $$ O(1) \text{ 极快} $$ | $$ O(\log n) \text{ 较慢} $$ | > **典型场景**: > 函数`void foo(){ int x; }`中: > - `x`由编译器生成操作指令 > - 操作系统已预分配内存页 > - CPU直接修改指针完成分配 ---
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