內存分配 知識,全局,局部,靜態變量

 

預備知識—程序的內存分配 
一個由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲以下幾個部分 
1、棧區(stack)— 由編譯器自動分配釋放 ,存放函數的參數值,局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。 
2、堆區(heap) — 一般由程序員分配釋放, 若程序員不釋放,程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似於鏈表,呵呵。
3、全局區(靜態區)(static)—,全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的,初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域, 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。 - 程序結束後有系統釋放 
4、文字常量區 —常量字符串就是放在這裏的。 程序結束後由系統釋放 
5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

一個正常的程序在內存中通常分爲程序段,數據端和堆棧三部分。程序段裏放着程序的機器碼和只讀數據,這個段通常是隻讀,對它的寫操作是非法的。數據段放的是程序中的靜態數據。動態數據則通過堆棧來存放。在內存中,它們的位置如下: 
+------------------+ 內存低端 
| 程序段 | 
|------------------| 
| 數據段 | 
|------------------| 
| 堆棧 | 
+------------------+ 內存高端 
堆棧是內存中的一個連續的塊。一個叫堆棧指針的寄存器(SP)指向堆棧的棧頂。堆棧的底部是一個固定地址。堆棧有一個特點就是,後進先出。也就是說,後放入的數據第一個取出。它支持兩個操作,PUSH和POP。PUSH是將數據放到棧的頂端,POP是將棧頂的數據取出。
在 高級語言中,程序函數調用和函數中的臨時變量都用到堆棧。爲什麼呢?因爲在調用一個函數時,我們需要對當前的操作進行保護,也爲了函數執行後,程序可以正 確的找到地方繼續執行,所以參數的傳遞和返回值也用到了堆棧。通常對局部變量的引用是通過給出它們對SP的偏移量來實現的。另外還有一個基址指針(FP, 在Intel芯片中是BP),許多編譯器實際上是用它來引用本地變量和參數的。通常,參數的相對FP的偏移是正的,局部變量是負的。 
當 程序中發生函數調用時,計算機做如下操作:首先把參數壓入堆棧;然後保存指令寄存器(IP)中的內容,做爲返回地址(RET);第三個放入堆棧的是基址寄 存器(FP);然後把當前的棧指針(SP)拷貝到FP,做爲新的基地址;最後爲本地變量留出一定空間,把SP減去適當的數值。 

在 函數體中定義的變量通常是在棧上,用malloc, calloc, realloc等分配內存的函數分配得到的就是在堆上。在所有函數體外定義的是全局量,加了static修飾符後不管在哪裏都存放在全局區(靜態區),在 所有函數體外定義的static變量表示在該文件中有效,不能extern到別的文件用,在函數體內定義的static表示只在該函數體內有效。另外,函 數中的"adgfdf"這樣的字符串存放在常量區。

對比:
1 性能
棧:棧存在於RAM中。棧是動態的,它的存儲速度是第二快的。stack
堆:堆位於RAM中,是一個通用的內存池。所有的對象都存儲在堆中。heap

2 申請方式
stack: 由系統自動分配。 例如,聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間 
heap: 需要程序員自己申請,並指明大小,在c中malloc函數 如p1 = (char *)malloc(10); 
在C++中用new運算符 如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在棧中的。

3 申請後系統的響應
棧:只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將爲程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。 
堆:首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時, 
會 遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序,另外,對於大多數系統,會在這塊內 存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大 小,系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。

4 申請大小的限制
棧: 在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩餘空間時,將提示overflow。因 此,能從棧獲得的空間較小。 
堆:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。

5 申請效率的比較
棧由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。 
堆是由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便. 
另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配內存,他不是在堆,也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存,雖然用起來最不方便。但是速度快,也最靈活。

6 堆和棧中的存儲內容
棧:在函數調用時,第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址,然後是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由右往左入棧的,然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。 
當本次函數調用結束後,局部變量先出棧,然後是參數,最後棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。 
堆:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

7 存取效率的比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的; 
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的; 
但是,在以後的存取中,在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。 
比如: 
#include 
void main() 

char a = 1; 
char c[] = "1234567890"; 
char *p ="1234567890"; 
a = c[1]; 
a = p[1]; 
return; 

對應的彙編代碼 
10: a = c[1]; 
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 
11: a = p[1]; 
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 
第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中,而第二種則要先把指針值讀到edx中,在根據edx讀取字符,顯然慢了。 

小結: 
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出: 
使用棧就象我們去飯館裏吃飯,只管點菜(發出申請)、付錢、和吃(使用),吃飽了就走,不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作,他的好處是快捷,但是自由度小。 
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。

全局變量、靜態數據、常量存放在全局數據區,所有函數的代碼存放在代碼區,爲運行函數而分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等存放在棧區。   
所以在同一個進程裏,多個任務(線程)的全局變量和靜態變量都應該是共享同一塊內存(全局數據區)   
而在不同的進程裏,重新加載了代碼,各個進程間的全局變量和靜態變量當然不是擁有同一塊內存。   
在psos下,各個任務是不同的線程,所以各個任務的全局變量和靜態變量是在同一塊內存。而我的另一個程序中(在sco unix),是每次運行都是一個新的進程,所以各個進程的全局變量和靜態變量擁有不同的內存

 

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