C++常識之——C++中堆和棧的區別，自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區

在C++中，內存分成5個區，他們分別是堆、棧、自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區。
棧，就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清楚的變量的存儲區。裏面的變量通常是局部變量、函數參數等。
堆，就是那些由new分配的內存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程序去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程序員沒有釋放掉，那麼在程序結束後，操作系統會自動回收。
自由存儲區，就是那些由malloc等分配的內存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。
全局/靜態存儲區，全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，在以前的C語言中，全局變量又分爲初始化的和未初始化的（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與靜態變量在相鄰的另一塊區域，同時未被初始化的對象存儲區可以通過void*來訪問和操縱，程序結束後由系統自行釋放），在C++裏面沒有這個區分了，他們共同佔用同一塊內存區。
常量存儲區，這是一塊比較特殊的存儲區，他們裏面存放的是常量，不允許修改（當然，你要通過非正當手段也可以修改，而且方法很多）
明確區分堆與棧
在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。
首先，我們舉一個例子：
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，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆內存，那麼指針p呢？他分配的是一塊棧內存，所以這句話的意思就是：在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。在程序會先確定在堆中分配內存的大小，然後調用operator new分配內存，然後返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編代碼如下：
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
這裏，我們爲了簡單並沒有釋放內存，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？澳，錯了，應該是delete []p，這是爲了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie信息去進行釋放內存的工作。
好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？ 
主要的區別由以下幾點：
1、管理方式不同；
2、空間大小不同；
3、能否產生碎片不同；
4、生長方向不同；
5、分配方式不同；
6、分配效率不同；
管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。
空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改： 
打開工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。
注意：reserve最小值爲4Byte；commit是保留在虛擬內存的頁文件裏面，它設置的較大會使棧開闢較大的值，可能增加內存的開銷和啓動時間。
碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因爲棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構，這裏我們就不再一一討論了。
生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向着內存地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向着內存地址減小的方向增長。
分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。
分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：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行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很複雜的，例如爲了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。
從這裏我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片；由於沒有專門的系統支持，效率很低；由於可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址，EBP和局部變量都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。
雖然棧有如此衆多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。
無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因爲越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程序運行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的：）
對了，還有一件事，如果有人把堆棧合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？

static用來控制變量的存儲方式和可見性
函數內部定義的變量，在程序執行到它的定義處時，編譯器爲它在棧上分配空間，函數在棧上分配的空間在此函數執行結束時會釋放掉，這樣就產生了一個問題: 如果想將函數中此變量的值保存至下一次調用時，如何實現？ 最容易想到的方法是定義一個全局的變量，但定義爲一個全局變量有許多缺點，最明顯的缺點是破壞了此變量的訪問範圍（使得在此函數中定義的變量，不僅僅受此 函數控制）。

需要一個數據對象爲整個類而非某個對象服務,同時又力求不破壞類的封裝性,即要求此成員隱藏在類的內部，對外不可見。

static的內部機制：
靜態數據成員要在程序一開始運行時就必須存在。因爲函數在程序運行中被調用，所以靜態數據成員不能在任何函數內分配空間和初始化。這樣，它的空間分配有三個可能的地方，一是作爲類的外部接口的頭文件，那裏有類聲明；二是類定義的內部實現，那裏有類的成員函數定義；三是應用程序的main（）函數前的全局數據聲明和定義處。
靜態數據成員要實際地分配空間，故不能在類的聲明中定義（只能聲明數據成員）。類聲明只聲明一個類的“尺寸和規格”，並不進行實際的內存分配，所以在類聲 明中寫成定義是錯誤的。它也不能在頭文件中類聲明的外部定義，因爲那會造成在多個使用該類的源文件中，對其重複定義。
static被引入以告知編譯器，將變量存儲在程序的靜態存儲區而非棧上空間，靜態
數據成員按定義出現的先後順序依次初始化，注意靜態成員嵌套時，要保證所嵌套的成員已經初始化了。消除時的順序是初始化的反順序。

static的優勢：
可以節省內存，因爲它是所有對象所公有的，因此，對多個對象來說，靜態數據成員只存儲一處，供所有對象共用。靜態數據成員的值對每個對象都是一樣，但它的 值是可以更新的。只要對靜態數據成員的值更新一次，保證所有對象存取更新後的相同的值，這樣可以提高時間效率。引用靜態數據成員時，採用如下格式：
<類名>::<靜態成員名>
如果靜態數據成員的訪問權限允許的話(即public的成員)，可在程序中，按上述格式
來引用靜態數據成員。

ps:
(1)類的靜態成員函數是屬於整個類而非類的對象，所以它沒有this指針，這就導致了它僅能訪問類的靜態數據和靜態成員函數。
(2)不能將靜態成員函數定義爲虛函數。
(3)由於靜態成員聲明於類中，操作於其外，所以對其取地址操作，就多少有些特殊，變量地址是指向其數據類型的指針 ，函數地址類型是一個“nonmember函數指針”。
(4)由於靜態成員函數沒有this指針，所以就差不多等同於nonmember函數，結果就產生了一個意想不到的好處：成爲一個callback函數，使得我們得以將c++和c-based x window系統結合，同時也成功的應用於線程函數身上。
(5)static並沒有增加程序的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態成員的訪問時間，節省了子類的內存空間。
(6)靜態數據成員在<定義或說明>時前面加關鍵字static。
(7)靜態數據成員是靜態存儲的，所以必須對它進行初始化。
(8)靜態成員初始化與一般數據成員初始化不同:
初始化在類體外進行，而前面不加static，以免與一般靜態變量或對象相混淆；
初始化時不加該成員的訪問權限控制符private，public等；
初始化時使用作用域運算符來標明它所屬類；
所以我們得出靜態數據成員初始化的格式：
<數據類型><類名>::<靜態數據成員名>=<值>
(9)爲了防止父類的影響，可以在子類定義一個與父類相同的靜態變量，以屏蔽父類的影響。這裏有一點需要注意：我們說靜態成員爲父類和子類共享，但我們有 重複定義了靜態成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器採用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的標誌。

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【轉】全局變量靜態變量

static 聲明的變量在C語言中有兩方面的特徵：
　　1)、變量會被放在程序的全局存儲區中，這樣可以在下一次調用的時候還可以保持原來的賦值。這一點是它與堆棧變量和堆變量的區別。
　　2)、變量用static告知編譯器，自己僅僅在變量的作用範圍內可見。這一點是它與全局變量的區別。
Tips:
　　A.若全局變量僅在單個C文件中訪問，則可以將這個變量修改爲靜態全局變量，以降低模塊間的耦合度；
　　B.若全局變量僅由單個函數訪問，則可以將這個變量改爲該函數的靜態局部變量，以降低模塊間的耦合度；
　　C.設計和使用訪問動態全局變量、靜態全局變量、靜態局部變量的函數時，需要考慮重入問題；
D.如果我們需要一個可重入的函數，那麼，我們一定要避免函數中使用static變量(這樣的函數被稱爲：帶“內部存儲器”功能的的函數)
E.函數中必須要使用static變量情況:比如當某函數的返回值爲指針類型時，則必須是static的局部變量的地址作爲返回值，若爲auto類型，則返回爲錯指針。

函數前加static使得函數成爲靜態函數。但此處“static”的含義不是指存儲方式，而是指對函數的作用域僅侷限於本文件(所以又稱內部函數)。使用內部函數的好處是：不同的人編寫不同的函數時，不用擔心自己定義的函數，是否會與其它文件中的函數同名。

擴展分析:術語static有着不尋常的歷史.起初，在C中引入關鍵字static是爲了表示退出一個塊後仍然存在的局部變量。隨後，static在C中有了第二種含義：用來表示不能被其它文件訪問的全局變量和函數。爲了避免引入新的關鍵字，所以仍使用static關鍵字來表示這第二種含義。最後，C++重用了這個關鍵字，並賦予它與前面不同的第三種含義：表示屬於一個類而不是屬於此類的任何特定對象的變量和函數(與Java中此關鍵字的含義相同)。

全局變量、靜態全局變量、靜態局部變量和局部變量的區別
變量可以分爲：全局變量、靜態全局變量、靜態局部變量和局部變量。
按存儲區域分，全局變量、靜態全局變量和靜態局部變量都存放在內存的靜態存儲區域，局部變量存放在內存的棧區。
按作用域分，全局變量在整個工程文件內都有效；靜態全局變量只在定義它的文件內有效；靜態局部變量只在定義它的函數內有效，只是程序僅分配一次內存，函數返回後，該變量不會消失；局部變量在定義它的函數內有效，但是函數返回後失效。
全局變量(外部變量)的說明之前再冠以static 就構成了靜態的全局變量。全局變量本身就是靜態存儲方式， 靜態全局變量當然也是靜態存儲方式。 這兩者在存儲方式上並無不同。這兩者的區別雖在於非靜態全局變量的作用域是整個源程序， 當一個源程序由多個源文件組成時，非靜態的全局變量在各個源文件中都是有效的。 而靜態全局變量則限制了其作用域， 即只在定義該變量的源文件內有效， 在同一源程序的其它源文件中不能使用它。由於靜態全局變量的作用域侷限於一個源文件內，只能爲該源文件內的函數公用， 因此可以避免在其它源文件中引起錯誤。
　　從以上分析可以看出， 把局部變量改變爲靜態變量後是改變了它的存儲方式即改變了它的生存期。把全局變量改變爲靜態變量後是改變了它的作用域， 限制了它的使用範圍。

　　static函數與普通函數作用域不同。僅在本文件。只在當前源文件中使用的函數應該說明爲內部函數(static)，內部函數應該在當前源文件中說明和定義。對於可在當前源文件以外使用的函數，應該在一個頭文件中說明，要使用這些函數的源文件要包含這個頭文件

　　static全局變量與普通的全局變量有什麼區別：static全局變量只初使化一次，防止在其他文件單元中被引用;
　　static局部變量和普通局部變量有什麼區別：static局部變量只被初始化一次，下一次依據上一次結果值；
static函數與普通函數有什麼區別：static函數在內存中只有一份，普通函數在每個被調用中維持一份拷貝
全局變量和靜態變量如果沒有手工初始化，則由編譯器初始化爲0。局部變量的值不可知。