内存分配及堆与栈的区别

1.内存分配方式

内存分配方式有三种：

       1.从静态存储区域分配。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。例如全局变量，static变量。

       2.从栈上分配。函数内的局部变量的存储单元，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。

       3.从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

2.程序的内存空间

一个程序将操作系统分配给其运行的内存块分为5个区域：

　　1、栈区（stack）：由编译器自动分配释放 ，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈（后进先出）。

　　2、堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。不同于数据结构中的堆，分配方式类似于链表。

　　3、全局区（静态区）——全局变量和静态变量存储在这里。程序结束后由系统释放。在以前到C语言中，全局变量又细分为初始化的（DATA段）和未初始化到（BSS段），在C++里已经没有这个区分了，它们共同占用同一块内存区。

　　4、常量存储区：常量字符串就存放在这里。一般不允许修改。程序结束后由系统释放。

　　5、程序代码区：存放函数体的二进制代码。

3.示意图及例子

a.示意图如下：

|----------------------|     高地址

|     栈区(Statk)    | -->向下增长

|----------------------|

|     堆区(Heap)    | -->向上增长

|----------------------|

| 未初始化(BSS) |

|----------------------|

|   初始化(Data)   |

|----------------------|

|    常量存储区    |

|----------------------|

|   正文段(Text)   |

|----------------------|    低地址

附上另一副图：

b.一段经典的例子程序，帮助理解

1 //main.c

2 #include<string.h>

3 #include<stdlib.h>

4 int a = 0;//全局初始化区

5 char *p1; //全局未初始化区

6 int main()

7 {

8 int b = 0;//栈

9 char s[] = "abc";//栈

10 char *p2;//栈

11 char *p3 = "123456";//123456\0在常量区，p3在栈上

12 static int c = 0;//全局初始化区

13 p1 = (char *)malloc(10);

14 p2 = (char *)malloc(20);//分配得到到空间在堆区

15 strcpy(p1,"123456");//123456\0放在常量区

16                        //编译器可能会将它与p3所指向的123456\0优化成一个地方

17 return 0;

18 }

c.常量存储区的优化

1 #include<stdio.h>

2 int main()

3 {

4 char str1[] = "hello world";

5 char str2[] = "hello world";

6 char* str3 = "hello world";

7 char* str4 = "hello world";

8 if(str1 == str2)

9 printf("str1 and str2 are same.\n");

10 else

11 printf("str1 and str2 are not same.\n");

12

13 if(str3 == str4)

14 printf("str3 and str4 are same.\n");

15 else

16 printf("str3 and str4 are not same.\n");

17 return 0;

18 }

//str1 and str2 are not same.

//str3 and str4 are same.

4. 堆与栈的区别

4.1 申请方式

     stack: 由系统自动分配，是由编译器自动管理，无需我们手工控制。

　　heap: 需要程序员自己申请，并指明大小。对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

4.2 申请后响应

       stack：只要栈的剩余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。

       heap：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空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。 

4.3 申请的空间大小

      stack：在 WINDOWS下，栈的大小是2M，由编译器决定。

      heap：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。

4.4 生长方式

      stack：栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。

      heap：向着内存地址增加的方向，是不连续的内存区域，系统使用链表来管理空闲的内存地址。

4.5 申请效率

      stack：由于栈是编译器自动管理的，因此栈的申请效率高，但程序员无法控制。

      heap：堆由new或malloc动态申请，一般速度较慢，并且容易产生内存碎片。能被程序员控制，使用方便。

4.6 存储内容

      stack：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（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

     heap：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。

4.7存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；

但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。