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深入浅出C语言中的堆和栈

2024-08-07 14:00:56   217人阅读

 

在谈堆栈的时候，我在这有必要把计算机的内存结构给大家简单的介绍下（高手们可以直接飘过）

一、 内存结构
 
每个程序一启动都有一个大小为4GB的内存，这个内存叫虚拟内存，是概念上的，真正能用到的，只是很小一部分，一般也就是在几百K到几百M。我们PC中内存，我们称之为物理内存，也就是256M，512M等，虚拟内存和物理内存的如何转换是由操作系统完成的，我们不需要管它。我们只需要管好我们自己程序的那4GB内存就可以了。
要管理4GB的虚拟内存，就必须给每个字节分配一个号码，以便程序与访问到其中任何一个字节。这个号码是从0开始顺序递增的，针对于这个号码我们就称之为地址，从0x00000000-0xFFFFFFFF，这样，我们理论上就可以访问其中内存中任何一个字节了。但有一点请注意，系统并不让我们全部都可以用。其中后面2GB的内容是留给系统用的，用户是不可以访问的，而且在前面的2GB也有部分区段不能访问，比如0x00000000就不能访问。具体是哪些区段，不必关心。
注意：类似于0x12345678或12345678H是10进制数305419896的16进制表示法，他们是一回事，显示16进制是为了方便显示及计算机计算。
程序都是用来做一些具体的事情，不管做什么事，结构都是很相似。程序启动，就有4GB的虚拟内存，通过CPU的计算，改变内存的内容，最后再复制内存的内容输出，输出的目的地可以是：屏幕、文件、磁盘等外存、端口、网络等。如何输出呢，最后全部都是调用系统的API，由操作系统完成。(这段话，请仔细体会，并牢牢记住)
所以我们的核心问题就是：如何控制内存，让内存里的值，变成我们想要的结果。
注意：这里的控制，指读取或写入某段内存的内容。
 
在虚拟内存中，我们一般将其分为以下几个区域：
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。 
 
示例如下：
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 
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 = new char[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块内存，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中后的下一条指令（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。堆中的具体内容由程序员安排。 

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： 
#include 
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 [edx+1] 
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，再根据edx读取字符，显然慢了。 

2.7 进一步的比较如下：
堆是相对于栈的，前面说到栈的大小大概为1MB，而用户能用到的内存大概有2GB，因此除了少量的数据区域和静态区域，以及这2G中被小部分限制的区域处，剩余都是堆的空间，其大小还是接近2G。(接近2G，是我的理解，没有在其它书中看到类似的结论，说错了，你别笑话我。)
 
堆主要有两个作用：
1、 欲分配内存空间的大小，或称长度，可以是变量，这意味着这个大小，在分配前，可以随着环境的改变而改变，不要求是定值。注意，这里说的是“分配前”，在分配完了以后，这段内存的大小理论上还是不可以改大小的，除非释放掉或用一些特别的方法。
2、 可以分配比较大的空间。
 
堆分配内存，主要通过函数malloc()，释放用free()。比如：
#include <stdlib.h> /* 要加上该头文件 */
int size = 10*sizeof(int);
int* pInt = (int*)malloc(size);
表示在堆中，分配长度为size的内存，将分配到的那段内存，标识成一系列int型数据，并将这段内存的地址，赋值给一个int型指针pInt，这样，通过pInt就可以控制这段内存了。
我们知道在栈中，可以通过数组，也能达上述的效果，如下：
int arr[10];
他们是有区别的：
1、 在效率上，前者(指pInt那段内存)是通过系统在整个堆空间中搜索到一段合适的内存，然后把这段内存分配给pInt，而后者只是在临近的位置分配这样大小的内存，这样少了搜索过程，后者显示效率高得多。
2、 在大小上，前者总共能分配的内存接近2GB，可以说很大了，而后者，其栈总的大小才1MB，所以其分配的大小不可能超过1MB，确切来说，是不能超过1M-分配前栈的大小。换句话说，如果要分配的空间超过1M的话，只能选择前者。
3、 在作用范围上，前者的内存地址可以用一个指针表示，假如这个指针是全局变量的话，则一直可以控制这块内存了，事实上，只要这块内存不被释放，那么在程序任何地方，它只要知道该内存的地址，则可以控制它。后者在退出函数或其作用域后，该段内存就被收回了。
4、 在“3、”中，似乎感觉堆很好，但隐藏了一个重要的麻烦，那就是内存释放，因为堆的内存释放是需要手工进行的。如果一不小心，用完后，我忘记释放，那么结果会怎样呢？事实上这段内存则不会被再用到，直到程序结束，比如我申请了200M的内存，没释放，这种浪费还是很可观的。
 
针对于他们的区别，我们可以有一个结论：
同时满足：临时性，小的(不超过1M)，更快的内存分配用栈，(其实第3条“更快”由于现代机器够快，两种方式都会满足)，否则用堆。
 
这些是栈和堆的区别，在实际工作中非常重要，请充分理解，不理解的话就背下来，这在面试时会经常考到。
 
如果堆分配不成功的话，则返回NULL。
 
前面说过，针对于某段在堆中分配的内存，如果不再需要使用了，则应该释放。这个释放用free();
如下：
int* pInt = (int*)malloc(size);
/* 针对于pInt做一些操作 */
free(pInt);
 
2.8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。 (经典！) 

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