作者：駱駝

在C++中，內(nèi)存分成5個(gè)區(qū) ： 堆、棧、自由存儲(chǔ)區(qū)、全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和常量存儲(chǔ)區(qū)。

棧，就是那些由編譯器在需要的時(shí)候分配，在不需要的時(shí)候自動(dòng)清除的變量的存儲(chǔ)區(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。在一個(gè)進(jìn)程中，位于用戶虛擬地址空間頂部的是用戶棧，編譯器用它來實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。和堆一樣，用戶棧在程序執(zhí)行期間可以動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展和收縮。

堆，就是那些由new分配的內(nèi)存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應(yīng)用程序去控制，一般一個(gè)new就要對(duì)應(yīng)一個(gè)delete。如果程序員沒有釋放掉，那么在程序結(jié)束后，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收。堆可以動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展和收縮。

自由存儲(chǔ)區(qū)，就是那些由malloc等分配的內(nèi)存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結(jié)束自己的生命的。

全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，全局變量和靜態(tài)變量被分配到同一塊內(nèi)存中，在以前的C語(yǔ)言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的（初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域，未初始化的全局變量與靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域，同時(shí)未被初始化的對(duì)象存儲(chǔ)區(qū)可以通過void*來訪問和操縱，程序結(jié)束后由系統(tǒng)自行釋放），在C++里面沒有這個(gè)區(qū)分了，他們共同占用同一塊內(nèi)存區(qū)。

常量存儲(chǔ)區(qū)，這是一塊比較特殊的存儲(chǔ)區(qū)，他們里面存放的是常量，不允許修改（當(dāng)然，你要通過非正當(dāng)手段也可以修改，而且方法很多）

明確區(qū)分堆與棧

在bbs上，堆與棧的區(qū)分問題，似乎是一個(gè)永恒的話題，由此可見，初學(xué)者對(duì)此往往是混淆不清的。

首先，我們舉一個(gè)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(yīng)該想到，我們分配了一塊堆內(nèi)存，那么指針p呢？他分配的是一塊棧內(nèi)存，所以這句話的意思就是：在棧內(nèi)存中存放了一個(gè)指向一塊堆內(nèi)存的指針p。在程序會(huì)先確定在堆中分配內(nèi)存的大小，然后調(diào)用operator new分配內(nèi)存，然后返回這塊內(nèi)存的首地址，放入棧中，的匯編代碼如下：

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

這里，我們?yōu)榱撕?jiǎn)單并沒有釋放內(nèi)存，那么該怎么去釋放呢？是delete p么？澳，錯(cuò)了，應(yīng)該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個(gè)數(shù)組，會(huì)根據(jù)相應(yīng)的Cookie信息去進(jìn)行釋放內(nèi)存的工作。

好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什么區(qū)別？

主要的區(qū)別由以下幾點(diǎn)：

1、管理方式不同；

2、空間大小不同；

3、能否產(chǎn)生碎片不同；

4、生長(zhǎng)方向不同；

5、分配方式不同；

6、分配效率不同；

管理方式：對(duì)于棧來講，是由編譯器自動(dòng)管理，無需我們手工控制；對(duì)于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生memory leak。

空間大小：一般來講在32位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到4G的空間，從這個(gè)角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。但是對(duì)于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認(rèn)的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當(dāng)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，然后在Reserve中設(shè)定堆棧的最大值和commit。

注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬內(nèi)存的頁(yè)文件里面，它設(shè)置的較大會(huì)使棧開辟較大的值，可能增加內(nèi)存的開銷和啟動(dòng)時(shí)間。

碎片問題：對(duì)于堆來講，頻繁的new/delete勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對(duì)于棧來講，則不會(huì)存在這個(gè)問題，因?yàn)闂Ｊ窍冗M(jìn)后出的隊(duì)列，他們是如此的一一對(duì)應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個(gè)內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進(jìn)的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出，詳細(xì)的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里我們就不再一一討論了。

生長(zhǎng)方向：對(duì)于堆來講，生長(zhǎng)方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向；對(duì)于棧來講，它的生長(zhǎng)方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長(zhǎng)。

分配方式：堆都是動(dòng)態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動(dòng)態(tài)分配由alloca函數(shù)進(jìn)行分配，但是棧的動(dòng)態(tài)分配和堆是不同的，他的動(dòng)態(tài)分配是由編譯器進(jìn)行釋放，無需我們手工實(shí)現(xiàn)。

分配效率：棧是機(jī)器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)會(huì)在底層對(duì)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(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數(shù)庫(kù)提供的，它的機(jī)制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫(kù)函數(shù)會(huì)按照一定的算法（具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/操作系統(tǒng)）在堆內(nèi)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（可能是由于內(nèi)存碎片太多），就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間，這樣就有機(jī)會(huì)分到足夠大小的內(nèi)存，然后進(jìn)行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片；由于沒有專門的系統(tǒng)支持，效率很低；由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，內(nèi)存的申請(qǐng)，代價(jià)變得更加昂貴。所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛的，就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成，函數(shù)調(diào)用過程中的參數(shù)，返回地址，EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時(shí)候分配大量的內(nèi)存空間，還是用堆好一些。

?

無論是堆還是棧，都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生（除非你是故意使其越界），因?yàn)樵浇绲慕Y(jié)果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以想不到的結(jié)果,就算是在你的程序運(yùn)行過程中，沒有發(fā)生上面的問題，你還是要小心，說不定什么時(shí)候就崩掉，那時(shí)候debug可是相當(dāng)困難的：）

對(duì)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(chǔ)方式和可見性

函數(shù)內(nèi)部定義的變量，在程序執(zhí)行到它的定義處時(shí)，編譯器為它在棧上分配空間，函數(shù)在棧上分配的空間在此函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)會(huì)釋放掉，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)問題: 如果想將函數(shù)中此變量的值保存至下一次調(diào)用時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)？ 最容易想到的方法是定義一個(gè)全局的變量，但定義為一個(gè)全局變量有許多缺點(diǎn)，最明顯的缺點(diǎn)是破壞了此變量的訪問范圍（使得在此函數(shù)中定義的變量，不僅僅受此 函數(shù)控制）。需要一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象為整個(gè)類而非某個(gè)對(duì)象服務(wù),同時(shí)又力求不破壞類的封裝性,即要求此成員隱藏在類的內(nèi)部，對(duì)外不可見。

static的內(nèi)部機(jī)制：

靜態(tài)數(shù)據(jù)成員要在程序一開始運(yùn)行時(shí)就必須存在。因?yàn)楹瘮?shù)在程序運(yùn)行中被調(diào)用，所以靜態(tài)數(shù)據(jù)成員不能在任何函數(shù)內(nèi)分配空間和初始化。這樣，它的空間分配有三個(gè)可能的地方，一是作為類的外部接口的頭文件，那里有類聲明；二是類定義的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，那里有類的成員函數(shù)定義；三是應(yīng)用程序的main（）函數(shù)前的全局?jǐn)?shù)據(jù)聲明和定義處。

?

靜態(tài)數(shù)據(jù)成員要實(shí)際地分配空間，故不能在類的聲明中定義（只能聲明數(shù)據(jù)成員）。類聲明只聲明一個(gè)類的“尺寸和規(guī)格”，并不進(jìn)行實(shí)際的內(nèi)存分配，所以在類聲 明中寫成定義是錯(cuò)誤的。它也不能在頭文件中類聲明的外部定義，因?yàn)槟菚?huì)造成在多個(gè)使用該類的源文件中，對(duì)其重復(fù)定義。

static被引入以告知編譯器，將變量存儲(chǔ)在程序的靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)而非棧上空間，靜態(tài)

數(shù)據(jù)成員按定義出現(xiàn)的先后順序依次初始化，注意靜態(tài)成員嵌套時(shí)，要保證所嵌套的成員已經(jīng)初始化了。消除時(shí)的順序是初始化的反順序。

static的優(yōu)勢(shì)：

可以節(jié)省內(nèi)存，因?yàn)樗撬袑?duì)象所公有的，因此，對(duì)多個(gè)對(duì)象來說，靜態(tài)數(shù)據(jù)成員只存儲(chǔ)一處，供所有對(duì)象共用。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的值對(duì)每個(gè)對(duì)象都是一樣，但它的 值是可以更新的。只要對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的值更新一次，保證所有對(duì)象存取更新后的相同的值，這樣可以提高時(shí)間效率。引用靜態(tài)數(shù)據(jù)成員時(shí)，采用如下格式：

<類名>::<靜態(tài)成員名>

如果靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的訪問權(quán)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(tài)數(shù)據(jù)成員。

Ps：

(1) 類的靜態(tài)成員函數(shù)是屬于整個(gè)類而非類的對(duì)象，所以它沒有this指針，這就導(dǎo)致了它僅能訪問類的靜態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)成員函數(shù)。

(2) 不能將靜態(tài)成員函數(shù)定義為虛函數(shù)。

(3) 由于靜態(tài)成員聲明于類中，操作于其外，所以對(duì)其取地址操作，就多少有些特殊，變量地址是指向其數(shù)據(jù)類型的指針 ，函數(shù)地址類型是一個(gè)“nonmember函數(shù)指針”。

(4) 由于靜態(tài)成員函數(shù)沒有this指針，所以就差不多等同于nonmember函數(shù)，結(jié)果就產(chǎn)生了一個(gè)意想不到的好處：成為一個(gè)callback函數(shù)，使得我們得以將c++和c-based x window系統(tǒng)結(jié)合，同時(shí)也成功的應(yīng)用于線程函數(shù)身上。

(5) static并沒有增加程序的時(shí)空開銷，相反她還縮短了子類對(duì)父類靜態(tài)成員的訪問時(shí)間，節(jié)省了子類的內(nèi)存空間。

(6) 靜態(tài)數(shù)據(jù)成員在<定義或說明>時(shí)前面加關(guān)鍵字static。

(7) 靜態(tài)數(shù)據(jù)成員是靜態(tài)存儲(chǔ)的，所以必須對(duì)它進(jìn)行初始化。

(8) 靜態(tài)成員初始化與一般數(shù)據(jù)成員初始化不同：

初始化在類體外進(jìn)行，而前面不加static，以免與一般靜態(tài)變量或?qū)ο笙嗷煜?#xff1b;

初始化時(shí)不加該成員的訪問權(quán)限控制符private，public等；

初始化時(shí)使用作用域運(yùn)算符來標(biāo)明它所屬類；

所以我們得出靜態(tài)數(shù)據(jù)成員初始化的格式：

<數(shù)據(jù)類型><類名>::<靜態(tài)數(shù)據(jù)成員名>=<值>

(9) 為了防止父類的影響，可以在子類定義一個(gè)與父類相同的靜態(tài)變量，以屏蔽父類的影響。這里有一點(diǎn)需要注意：我們說靜態(tài)成員為父類和子類共享，但我們有 重復(fù)定義了靜態(tài)成員，這會(huì)不會(huì)引起錯(cuò)誤呢？不會(huì)，我們的編譯器采用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的標(biāo)志。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的我对C++内存分配方式的一点看法的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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