关于变量存储区和堆栈等的一些说明

关于变量存储区和堆栈等的一些说明

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今天有同事咨询了一个C/C++的问题，从而引发了面试过程中经常遇到的问题，就是变量的存储类和堆，栈等的区别。现归纳总结了一下：

 

变量的存储类
自动变量和寄存器变量，外部变量，静态类变量

自动变量和寄存器变量都是局部变量（相对于外部全局变量），其作用域在函数体内或者过程内
自动存储类变量，关键字auto，通常可以省略，
寄存器变量必须加register，有可能放入CPU的通用寄存器中，如果寄存器不够，按自动类变量处理

自动类变量通常放入内存的栈区，
寄存器类变量的数据长度需要与通用寄存器的长度相当，一般只能定义char和int型
自动和寄存器变量定义后没有初始值。

外部类变量作用域最大，在整个程序，包含所有文件，定义在函数体外部，其定义和声明是两回事，只能定义一次，但是可用声明多次，声明时必须加上extern。

 

静态类变量
又可以分为内部静态类和外部静态类，内部静态类的作用域同自动变量，但是其生存期不会因为该段函数或者过程结束而释放。同时内部静态类只会在其被定义时赋值初始化一次，以后的值会变化，但不是被赋初值。如果没有被初始化，它也会自行具有默认值0，即被初始化成0值。
外部静态类的作用域介于外部类和自动类之间，其生存期和外部类变量同。另外注意的是，外部类变量也是被存放在静态工作区的。

 

再看堆和栈的问题：

内存总共分成5个区，分别为堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区

  堆，就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。

自由存储区，就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。

全局/静态存储区，全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。

常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改，但是还需要考虑到C++中的const带来的变化。

 

堆与栈

例子：

void f()
{ 
 int* ptr=new int[5]; 
}

　　这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针ptr呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针ptr。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：

0040D6D8   push        14h
0040D6DA   call        operator new (004010a0)
0040D6DF   add         esp,4
0040D6E2   mov         dword ptr [ebp-8],eax
0040D6E5   mov         eax,dword ptr [ebp-8]
0040D6E8   mov         dword ptr [ebp-4],eax

　　这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete ptr么？不是，应该是delete []ptr，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

　　

堆和栈究竟有什么区别？

　　主要的区别由以下几点：

　　1、管理方式不同；

　　2、空间大小不同；

　　3、能否产生碎片不同；

　　4、生长方向不同；

　　5、分配方式不同；

　　6、分配效率不同；

　　管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

　　空间大小：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。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的 。

　　 碎片问题：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，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。

　　生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

　　分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

　　分配效率：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。

　　从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。

　　虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。

　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果, 就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，如果堆栈被破坏，调试起来将是非常困难的。