C语言的五大内存分区

在C/C++中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

栈,就是那些由编译器在需要的时候分配,在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。

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(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多)

明确区分堆与栈
在bbs上,堆与栈的区分问题,似乎是一个永恒的话题,由此可见,初学者对此往往是混淆不清的,所以我决定拿他第一个开刀。

首先,我们举一个例子:
void f() { int* p=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p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p。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:
00401028 push14h
0040102A calloperator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 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 p么?澳,错了,应该是delete []p,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。
好了,我们回到我们的主题: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,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。当然,我们可以修改:
打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在Category 中选中Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意:reserve最小值为4Byte;commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。

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,那时候debug可是相当困难的:)

对了,还有一件事,如果有人把堆栈合起来说,那它的意思是栈,可不是堆,呵呵,清楚了?
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<think>好的,我现在需要回答用户关于C语言内存分区的问题。首先,我得回忆一下自己学过的相关知识,确保准确性。记得C语言的内存主要分为几个区域:栈、堆、数据段、代码段等。不过具体的细节可能需要再仔细核对。 用户问的是内存分区有哪些,所以需要明确每个分区的名称和作用。首先栈区(Stack),是用来存储局部变量和函数调用信息的。这部分内存由编译器自动分配和释放,特点是高效但空间有限。例如,函数内部定义的int变量就会在栈里。 然后是堆区(Heap),这部分用于动态内存分配,比如使用malloc、calloc、realloc和free函数来管理。堆区的内存需要手动申请和释放,否则会导致内存泄漏。不过堆的空间相对较大,但管理不当容易产生碎片。 接下来是数据段,可能分为初始化的数据段(Data Segment)和未初始化的数据段(BSS Segment)。初始化的全局变量和静态变量存放在Data段,而未初始化的则放在BSS段,程序加载时会自动初始化为零或空指针。例如,全局变量int a = 10;会在Data段,而static int b;则在BSS段。 代码段(Text Segment)存放程序的机器指令,也就是编译后的可执行代码。这部分通常是只读的,防止程序被意外修改。 不过,有没有可能遗漏其他分区?比如,有时候会提到常量存储区,但可能那属于数据段的一部分,比如字符串常量可能存放在只读数据段(RO Data),属于数据段中的一部分。这点需要确认,避免错误。 另外,内存布局可能因不同的系统或编译器有所不同,但基本的结构应该是这五个部分:栈、堆、数据段(包括BSS和Data)、代码段。需要确保每个分区的描述准确,例如栈的生长方向是向下,而堆是向上,这可能对理解有帮助,但用户可能不需要这么详细的细节,但可以简要提及。 还要注意区分静态存储区和全局变量区域,可能数据段中的初始化部分包含了静态变量和全局变量。比如,static修饰的局部变量也存放在数据段中,而不是栈里。 总结下来,应该分四个主要部分:栈区、堆区、数据区(包括初始化和未初始化)、代码区。有时候会把数据区中的BSS和Data分开来说,所以可能需要明确说明。 还要检查是否存在常见的误解,例如,是否堆和栈的位置在内存中的位置,比如栈通常在内存的高地址向下增长,堆在低地址向上增长,但具体实现可能因系统而异,这点可以提到,但重点放在功能上。 现在需要组织语言,用中文清晰、分点解释每个分区的作用和特点,确保用户容易理解。同时按照用户要求,使用$...$和$$...$$格式来标记行内和独立公式,不过这个问题可能不涉及数学公式,但变量或术语可能需要用$...$标出。例如,变量名如$malloc$、$free$等可以用行内标记。 最后,确保回答结构清晰,步骤明确,没有使用Markdown,符合用户的格式要求。可能需要分点列出每个内存分区,并简要说明其用途和管理方式,以及例子。</think>C语言程序在运行时内存主要分为以下5个核心区域(使用$$...$$格式独立说明): 1. **栈区(Stack)** $$由编译器自动管理$$ - 存放局部变量、函数参数 - 函数调用时存储返回地址 - 内存空间连续,分配效率高 - 典型示例:`int a = 10;`(函数内部变量) 2. **堆区(Heap)** $$通过malloc/calloc申请,free释放$$ - 动态内存分配区域 - 需要程序员手动管理 - 空间较大但容易碎片化 - 示例:`int *p = (int*)malloc(sizeof(int)*10);` 3. **数据区(Data Segment)** $$包含初始化数据段和BSS段$$ - **初始化数据段**:存储显式初始化的全局/静态变量 ```c int g_init = 100; // 存放于此 ``` - **BSS段**:存放未初始化的全局/静态变量 ```c static int s_uninit; // 默认初始化为0 ``` 4. **代码区(Text Segment)** $$存放可执行机器指令$$ - 包含程序代码和字符串常量 - 具有只读属性 - 示例:`printf("Hello");`中的字符串常量 5. **常量区(可选说明)** $$部分系统单独划分$$ - 存储字面值常量 - 示例:`const int MAX = 100;` | 内存区域 | 存储内容 | 生命周期 | 管理方式 | |----------|--------------------|----------------|--------------| | 栈 | 局部变量/函数参数 | 函数执行周期 | 自动 | | 堆 | 动态分配内存 | 手动控制 | 程序员管理 | | 数据段 | 全局/静态变量 | 程序整个周期 | 自动 | | 代码段 | 程序代码 | 程序加载到结束 | 只读 | 理解内存分区对预防以下问题至关重要: - 栈溢出(递归过深) - 内存泄漏(忘记释放堆内存) - 野指针(访问已释放内存) - 段错误(非法内存访问)
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