C/C++内存分配知识

本文最开始写于2010年(http://www.51testing.com/html/38/225738-220959.html),发现这些概念还是很有用的,转移到现在这个博客上吧。

C语言中内存分为五个区:
栈(stack):用来存放函数的形参和函数内的局部变量。由编译器分配空间,在函数执行完后由编译器自动释放。
堆(heap):用来存放由动态分配函数(如malloc)分配的空间。是由程序员自己手动分配的,并且必须由程序员使用free释放。如果忘记用free释放,会导致所分配的空间一直占着不放,导致内存泄露。
全局区/静态区:用来存放全局变量和静态变量。程序结束时由系统释放,分为全局初始化区和全局未初始化区;存在于程序的整个运行期间,是由编译器分配和释放的。
文字常量区:常量字符串放于此,程序结束时由系统释放。例如char *c = “123456”;则”123456”为文字常量,存放于文字常量区。也由编译器控制分配和释放。
程序代码区:用来存放程序的二进制代码。

下面通过几个例子来看一下,具体C程序中的内存分配吧:

C++五大内存分区:
在C++中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。
栈,就是那些由编译器在需要的时候分配,在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。
堆,就是那些由new分配的内存块,他们的释放编译器不去管,由我们的应用程序去控制,一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉,那么在程序结束后,操作系统会自动回收。
自由存储区,就是那些由malloc等分配的内存块,他和堆是十分相似的,不过它是用free来结束自己的生命的。
全局/静态存储区,全局变量和静态变量被分配到同一块内存中,在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,在C++里面没有这个区分了,他们共同占用同一块内存区。
常量存储区,这是一块比较特殊的存储区,他们里面存放的是常量,不允许修改(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多)

《Unix环境高级编程》(著名的APUE)中提出:
C程序的内存布局:Text,Data,BSS,Stack, Heap.
Text是程序的代码段。
Data是程序中初始化了的全局、静态数据变量。
BSS是程序中未初始化的全局、静态数据变量。即使全局、静态数据变量初始化为0仍然是属于BSS段。(未初始化的数据段)
Stack是程序中的局部变量,由高地址到低地址向下增长。
Heap是malloc调用动态分配的内存,由低地址到高地址向上增长。

根据网上别人的观点结合自己的测试,得出的结论:
1、 经过初始化的全局变量和静态变量保存在数据段中。
2、 未经初始化的全局变量和静态变量保存在BSS段。
3、 函数内部声明的局部变量保存在堆栈段(栈)中,函数调用相关信息也在栈中。
4、 const修饰的全局变量保存在文本段中,const修饰的局部变量保存在堆栈段中。
5、 字符串常量保存在文本段中。

查看各段的大小用size命令:size test.out (test.out为编译连接后的可执行文件),可以查看到text、data、bss段的大小。

堆与栈的讨论:
管理方式:
堆中资源由程序员控制(容易产生memory leak)。
栈资源由编译器自动管理,无需手工控制。

系统响应:
对于堆,应知道系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序申请时,遍历该链表,寻找第一个空间大于申请空间的堆结点,删除空闲结点链表中的该结点,并将该结点空间分配给程序(大多数系统会在这块内存空间首地址记录本次分配的大小,这样delete才能正确释放本内存空间,另外系统会将多余的部分重新放入空闲链表中)。
对于栈,只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统为程序提供内存,否则报异常提示栈溢出。

空间大小:
堆大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存(32bit系统理论上是4G),所以堆的空间比较灵活,比较大。
栈大小是操作系统/编译器预定好的。

碎片问题:
对于堆,频繁的new/delete会造成大量碎片,使程序效率降低。
对于栈,它是一个先进后出的队列,进出一一对应,不会产生碎片。

生长方向:
堆向上,向高地址方向增长。
栈向下,向低地址方向增长。

分配方式:
堆都是动态分配(没有静态分配的堆)。
栈有静态分配和动态分配,静态分配由编译器完成(如局部变量分配),动态分配由alloca函数分配,但栈的动态分配的资源由编译器进行释放,无需程序员实现。

分配效率:
堆由C/C++函数库提供,机制很复杂。所以堆的效率比栈低很多。
栈是极其系统提供的数据结构,计算机在底层对栈提供支持,分配专门寄存器存放栈地址,栈操作有专门指令。

对C内存的深入研究(根据《C专家编程》)以及实例和结论,一篇很好的文章,见:
http://blog.csdn.net/chgaowei/archive/2010/03/03/5340796.aspx

Linux上内存管理:
http://www.kerneltravel.net/journal/v/mem.htm

master

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