淺析5種C語(yǔ)言內(nèi)存分配的方法及區(qū)別

來(lái)源：技術(shù)讓夢(mèng)想更偉大

整理：李肖遙

在C語(yǔ)言中，內(nèi)存分成5個(gè)區(qū)，他們分別是堆、棧、自由存儲(chǔ)區(qū)、全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)。

棧，就是那些由編譯器在需要的時(shí)候分配，在不需要的時(shí)候自動(dòng)清楚的變量的存儲(chǔ)區(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。

堆，就是那些由new分配的內(nèi)存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應(yīng)用程序去控制，一般一個(gè)new就要對(duì)應(yīng)一個(gè)delete。如果程序員沒(méi)有釋放掉，那么在程序結(jié)束后，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收。

自由存儲(chǔ)區(qū)，就是那些由malloc等分配的內(nèi)存塊，他和堆是十分相似的，不過(guò)它是用free來(lái)結(jié)束自己的生命的。

全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，全局變量和靜態(tài)變量被分配到同一塊內(nèi)存中，在以前的C語(yǔ)言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C 里面沒(méi)有這個(gè)區(qū)分了，他們共同占用同一塊內(nèi)存區(qū)。

常量存儲(chǔ)區(qū)，這是一塊比較特殊的存儲(chǔ)區(qū)，他們里面存放的是常量，不允許修改(當(dāng)然，你要通過(guò)非正當(dāng)手段也可以修改，而且方法很多，在《const的思考》一文中，我給出了6種方法)

明確區(qū)分堆與棧

在bbs上，堆與棧的區(qū)分問(wèn)題，似乎是一個(gè)永恒的話題，由此可見(jiàn)，初學(xué)者對(duì)此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個(gè)開(kāi)刀。

首先，我們舉一個(gè)例子：

void?f()?{?int*?p=new?int[5];?}
這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應(yīng)該想到，我們分配了一塊堆內(nèi)存，那么指針p呢?他分配的是一塊棧內(nèi)存，所以這句話的意思就是：在棧內(nèi)存中存放了一個(gè)指向一塊堆內(nèi)存的指針p。在程序會(huì)先確定在堆中分配內(nèi)存的大小，然后調(diào)用operator new分配內(nèi)存，然后返回這塊內(nèi)存的首地址，放入棧中，他在VC6下的匯編代碼如下：

00401028?push?14h
0040102A?call?operator?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
這里，我們?yōu)榱撕?jiǎn)單并沒(méi)有釋放內(nèi)存，那么該怎么去釋放呢？是delete p？哦，錯(cuò)了，應(yīng)該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個(gè)數(shù)組，VC6就會(huì)根據(jù)相應(yīng)的Cookie信息去進(jìn)行釋放內(nèi)存的工作。

好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什么區(qū)別?

主要的區(qū)別由以下幾點(diǎn)：

1. 管理方式不同;
2. 空間大小不同;
3. 能否產(chǎn)生碎片不同;
4. 生長(zhǎng)方向不同;
5. 分配方式不同;
6. 分配效率不同;

管理方式：對(duì)于棧來(lái)講，是由編譯器自動(dòng)管理，無(wú)需我們手工控制；對(duì)于堆來(lái)說(shuō)，釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生memory leak。

空間大小：一般來(lái)講在32位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到4G的空間，從這個(gè)角度來(lái)看堆內(nèi)存幾乎是沒(méi)有什么限制的。但是對(duì)于棧來(lái)講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認(rèn)的?？臻g大小是1M(好像是，記不清楚了)。當(dāng)然，我們可以修改：

打開(kāi)工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然后在Reserve中設(shè)定堆棧的最大值和commit。

注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬內(nèi)存的頁(yè)文件里面，它設(shè)置的較大會(huì)使棧開(kāi)辟較大的值，可能增加內(nèi)存的開(kāi)銷和啟動(dòng)時(shí)間。

碎片問(wèn)題：對(duì)于堆來(lái)講，頻繁的new/delete勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對(duì)于棧來(lái)講，則不會(huì)存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闂Ｊ窍冗M(jìn)后出的隊(duì)列，他們是如此的一一對(duì)應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個(gè)內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進(jìn)的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出，詳細(xì)的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里我們就不再一一討論了。

生長(zhǎng)方向：對(duì)于堆來(lái)講，生長(zhǎng)方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向;對(duì)于棧來(lái)講，它的生長(zhǎng)方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長(zhǎng)。

分配方式：堆都是動(dòng)態(tài)分配的，沒(méi)有靜態(tài)分配的堆。棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動(dòng)態(tài)分配由alloca函數(shù)進(jìn)行分配，但是棧的動(dòng)態(tài)分配和堆是不同的，他的動(dòng)態(tài)分配是由編譯器進(jìn)行釋放，無(wú)需我們手工實(shí)現(xiàn)。

分配效率：棧是機(jī)器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)會(huì)在底層對(duì)棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C 函數(shù)庫(kù)提供的，它的機(jī)制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫(kù)函數(shù)會(huì)按照一定的算法(具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/操作系統(tǒng))在堆內(nèi)存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒(méi)有足夠大小的空間(可能是由于內(nèi)存碎片太多)，就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間，這樣就有機(jī)會(huì)分到足夠大小的內(nèi)存，然后進(jìn)行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片;由于沒(méi)有專門的系統(tǒng)支持，效率很低;由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，內(nèi)存的申請(qǐng)，代價(jià)變得更加昂貴。

所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛的，就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成，函數(shù)調(diào)用過(guò)程中的參數(shù)，返回地址，EBP和局部變量都采用棧的方式存放。

所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

小結(jié)

雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時(shí)候分配大量的內(nèi)存空間，還是用堆好一些。

無(wú)論是堆還是棧，都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生(除非你是故意使其越界)，因?yàn)樵浇绲慕Y(jié)果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以想不到的結(jié)果,就算是在你的程序運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生上面的問(wèn)題，你還是要小心，說(shuō)不定什么時(shí)候就崩掉，那時(shí)候debug可是相當(dāng)困難的。

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