网站建设与维护方式是什么,网页设计叫什么行业,互联网公司排名,企业培训师资格证报考2023C中堆和栈的完全解析 内存分配方面#xff1a; 堆#xff1a; 操作系统有一个记录空闲内存地址的链表#xff0c;当系统收到程序的申请时#xff0c;会遍历该链表#xff0c;寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点#xff0c;然后将该结点从空闲结点链表中删 除#xff… C中堆和栈的完全解析 内存分配方面 堆 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另外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。我们常说的内存泄露最常见的就是堆泄露还有资源泄露它是指程序在运行中出现泄露如果程序被关闭掉的话操作系统会帮助释放泄露的内存。 栈在函数调用时第一个进栈的主函数中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然后是函数中的局部变量。 一、预备知识—程序的内存分配 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。 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可能由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呵呵。 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。 - 程序结束后有系统释放 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。 有些说法把34合在一起也有的把3分成自由存储区malloc/free和全局/静态存储区。 这与编译器和操作系统有关。 二、例子程序 这是一个前辈写的非常详细 //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 //更正abc 分配在静态存储区不是栈上 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 p1 (char *)malloc(10); p2 (char *)malloc(20); 分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 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优化成一个地方。 } 二、堆和栈的理论知识 2.1申请方式 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 heap: 需要程序员自己申请并指明大小在c中malloc函数 如p1 (char *)malloc(10); 在C中用new运算符 如p2 (char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在栈中的。 2.2 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另外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。 2.3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下栈的大小是2M也有的说是1M总之是一个 编译时就确定的常数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。 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。 2.4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new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. 另外在WINDOWS下最好的方式是用VirtualAlloc分配内存他不是在堆也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存虽然用起来最不方便。但是速度快也最灵活 2.5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。 2.6存取效率的比较 char s1[] aaaaaaaaaaaaaaa; char *s2 bbbbbbbbbbbbbbbbb; aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的 而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的 但是在以后的存取中在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 比如 i nclude void main() { char a 1; char c[] 1234567890; char *p 1234567890; a c[1]; a p[1]; return; } 对应的汇编代码 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 [edx1] 00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中而第二种则要先把指针值读到edx中在根据edx读取字符显然慢了。 2.7小结 堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出 使用栈就象我们去饭馆里吃饭只管点菜发出申请、付钱、和吃使用吃饱了就走不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作他的好处是快捷但是自由度小。 使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴比较麻烦但是比较符合自己的口味而且自由度大。 堆和栈的区别主要分 操作系统方面的堆和栈如上面说的那些不多说了。 还有就是数据结构方面的堆和栈这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是满足堆性质的优先队列的一种数据结构第1个元素有最高的优先权栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。 虽然堆栈堆栈的说法是连起来叫但是他们还是有很大区别的连着叫只是由于历史的原因。 2.8 补充知识 堆(heap)和栈(stack)是C/C编程不可避免会碰到的两个基本概念。首先这两个概念都可以在讲数据结构的书中找到他们都是基本的数据结构虽然栈更为简单一些。 在具体的C/C编程框架中这两个概念并不是并行的。对底层机器代码的研究可以揭示栈是机器系统提供的数据结构而堆则是C/C函数库提供的。 具 体地说现代计算机(串行执行机制)都直接在代码底层支持栈的数据结构。这体现在有专门的寄存器指向栈所在的地址有专门的机器指令完成数据入栈出栈 的操作。这种机制的特点是效率高支持的数据有限一般是整数指针浮点数等系统直接支持的数据类型并不直接支持其他的数据结构。因为栈的这种特点 对栈的使用在程序中是非常频繁的。对子程序的调用就是直接利用栈完成的。机器的call指令里隐含了把返回地址推入栈然后跳转至子程序地址的操作而子 程序中的ret指令则隐含从堆栈中弹出返回地址并跳转之的操作。C/C中的自动变量是直接利用栈的例子这也就是为什么当函数返回时该函数的自动变 量自动失效的原因(因为堆栈恢复了调用前的状态)。 和栈不同堆的数据结构并不是由系统(无论是机器系统还是操作系统)支持的而是由函数 库提供的。基本的malloc/realloc/free函数维护了一套内部的堆数据结构。当程序使用这些函数去获得新的内存空间时这套函数首先试图从内部堆中寻找可用的内存空间如果没有可以使用的内存空间则试图利用系统调用来动态增加程序数据段的内存大小新分配得到的空间首先被组织进内部堆中 去然后再以适当的形式返回给调用者。当程序释放分配的内存空间时这片内存空间被返回内部堆结构中可能会被适当的处理(比如和其他空闲空间合并成更大 的空闲空间)以更适合下一次内存分配申请。这套复杂的分配机制实际上相当于一个内存分配的缓冲池(Cache)使用这套机制有如下若干原因 1. 系统调用可能不支持任意大小的内存分配。有些系统的系统调用只支持固定大小及其倍数的内存请求(按页分配)这样的话对于大量的小内存分类来说会造成浪费。 2. 系统调用申请内存可能是代价昂贵的。系统调用可能涉及用户态和核心态的转换。 3. 没有管理的内存分配在大量复杂内存的分配释放操作下很容易造成内存碎片。 堆和栈的对比 从 以上知识可知栈是系统提供的功能特点是快速高效缺点是有限制数据不灵活而堆是函数库提供的功能特点是灵活方便数据适应面广泛但是效率有一 定降低。栈是系统数据结构对于进程/线程是唯一的堆是函数库内部数据结构不一定唯一。不同堆分配的内存逻辑上无法互相操作。栈空间分静态分配和动态 分配两种。静态分配是编译器完成的比如自动变量(auto)的分配。动态分配由alloca函数完成。栈的动态分配无需释放(是自动的)也就没有释放 函数。为可移植的程序起见栈的动态分配操作是不被鼓励的堆空间的分配总是动态的虽然程序结束时所有的数据空间都会被释放回系统但是精确的申请内存 /释放内存匹配是良好程序的基本要素。 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4Bytecommit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
