程序人生 | C 语言编译器对内存空间的分配原则

本文首发于 2015-05-04 14:50:16

概述

一个由 C/C++ 编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

1. 栈区（stack）：由编译器自动分配、释放，存放函数的参数值、局部变量的值等，其操作方式类似于数据结构中的栈。一般大家常说的堆栈和栈是一样的，就是栈(stack)，而说 堆 时才是堆 heap 。
2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时由 OS 回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
3. 全局区（静态区，static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，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。程序结束后由系统释放。
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。
5. 程序代码区：存放函数体的二进制代码。

举例来说：

//main.cpp
int a = 0; // 全局初始化区
char *p1; // 全局未初始化区
main()
{
int b; // 栈
char s[] = "abc"; // 栈
char *p2; // 栈
char *p3 = "123456"; // 123456\0 在常量区，p3在栈上。
static int c =0； // 全局（静态）初始化区

// 分配的 10 个和 20 个字节的区域就在堆区。
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);

strcpy(p1, "123456"); // 123456\0 放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成同一个位置
}

在函数体中定义的变量通常是在栈上，用 malloc, calloc, realloc 等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。

在所有函数体外定义的是全局量，加了 static 修饰符后不管在哪里都存放在全局区（静态区），在所有函数体外定义的 static 变量表示在该文件中有效，不能 extern 到别的文件使用，在函数体内定义的 static 表示只在该函数体内有效。

函数中的”123456”这样的字符串存放在常量区。

还有就是函数调用时会在栈上有一系列的保留现场及传递参数的操作。

关于堆和栈

1. 内存分配方面

堆： 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。它与数据结构中的堆是两回事，分配方式是类似于链表。可能用到的关键字如下：new、malloc、delete、free 等等。

栈： 由编译器(Compiler)自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。当一个函数调用完返回后它会释放该函数中所有的栈空间。

2. 申请方式

栈（stack）：

由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量 int b;，系统自动在栈中为 b 开辟空间。

堆（heap）：

需要程序员自己申请，并指明大小。

在 C 中 malloc 函数：

p1 = (char *)malloc(10);

在 C++中用 new 运算符：

p2 = (char *)new char(10);

但注意 p1、p2 本身是在栈中的。

3. 申请后系统的响应

栈： 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。

堆： 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。对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样代码中的 delete 语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

4. 申请大小的限制

栈：

• 在 Windows 下，栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。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，栈的大小一般是 2M，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示 overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
• 栈不够用的情况一般是程序中分配了大量数组和递归函数层次太深。
• 当一个函数调用完返回后它会释放该函数中所有的栈空间。

堆：

• 堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

5. 申请效率的比较

栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

堆是由 malloc 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。

6. 堆和栈中的存储内容

栈：

• 在函数调用时，第一个进栈的是主函数后的下一条指令（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。

堆：

• 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。

7. 存取效率方面

堆： char *s1 = "Hellow Word"；是在编译时就确定的；

栈：char s1[] = "Hellow Word"；是在运行时赋值的；用数组比用指针速度要快一些，因为指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下，而数组在栈上直接读取。

在栈上存取数据比通过指针在堆上存取数据快些。

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