程式執行過程中的記憶體活動

預備知識

在C++中，記憶體分成5個區，他們分別是堆、棧、自由儲存區、全域性/靜態儲存區和常量儲存區。

              

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除的變數的儲存區。裡面的變數通常是區域性變數、函式引數等。

堆，就是那些由new分配的記憶體塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程式去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程式設計師沒有釋放掉，那麼在程式結束後，作業系統會自動回收。

自由儲存區，就是那些由malloc等分配的記憶體塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。[注] 堆和自由儲存區一般認為是同一名詞。 或者，自由儲存區的一部分被開成堆，剩下的則是未使用。堆和棧都可以在自由儲存區裡    進行自動擴充套件，直到2者相接而成為記憶體耗盡。

全域性/靜態儲存區，全域性變數和靜態變數被分配到同一塊記憶體中，在以前的C語言中，全域性變數又分為初始化的和未初始化的，在C++裡面沒有這個區分了，他們共同佔用同一塊記憶體區。

常量儲存區，這是一塊比較特殊的儲存區，他們裡面存放的是常量，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）[注] 常量儲存區則是“全域性/靜態儲存區”的一部分，在os支援常量段的情況下，編譯器可以把一部分const的全域性變數放在這個位置。而且，這個“全域性/靜態儲存區”並沒有被C、C++標準給出名稱，都是俗稱，各個資料上可以名字差異很大。

 

記憶體中，堆和棧的區別

   主要的區別有以下幾點：

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；

                                   

管理方式不同	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，釋放工作由程式設計師控制，容易產生memory leak。
空間大小不同	一般來講在32位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體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
能否產生碎片不同	對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進後出的佇列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出
生長方向不同	對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體地址減小的方向增長。
分配方式不同	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，比如區域性變數的分配。動態分配由alloca函式進行分配，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。
分配效率不同	棧是機器系統提供的資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：分配專門的暫存器存放棧的地址，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++函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演算法可以參考資料結構/作業系統）在堆記憶體中搜尋可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就有機會分到足夠大小的記憶體，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

使用棧就像我們去飯館吃飯，直觀點菜（發出申請），付錢和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和稍微工作，他的好處就是快捷，但自由度小。

使用堆就像我們自己動手做喜歡吃的菜餚，比較麻煩，但能做出符合自己口味的菜，自由度大

[注]棧物件的優勢是在適當的時候自動生成，又在適當的時候自動銷燬，不需要程式設計師操心；而且 棧物件的建立速度一般較堆物件快，因為分配堆物件時，會呼叫operator new操作，operator new會採用某種記憶體空間搜尋演算法，而該搜尋過程可能是很費時間的，產生棧物件則沒有這麼麻煩，它僅僅需要移動棧頂指標就可以了。但是要注意的是，通常棧 空間容量比較小，一般是1MB～2MB，所以體積比較大的物件不適合在棧中分配。特別要注意遞迴函式中最好不要使用棧物件，因為隨著遞迴呼叫深度的增加， 所需的棧空間也會線性增加，當所需棧空間不夠時，便會導致棧溢位，這樣就會產生執行時錯誤。

堆物件建立和銷燬都要由程式設計師負責，所以，如果處理不好，就會發生記憶體問題。如果分配了 堆物件，卻忘記了釋放，就會產生記憶體洩漏；而如果已釋放了物件，卻沒有將相應的指標置為NULL，該指標就是所謂的“懸掛指標”，再度使用此指標時，就會出現非法訪問，嚴重時就導致程式崩潰。但是高效 的使用堆物件也可以大大的提高程式碼質量。比如，我們需要建立一個大物件，且需要被多個函式所訪問，那麼這個時候建立一個堆物件無疑是良好的選擇，因為我們 通過在各個函式之間傳遞這個堆物件的指標，便可以實現對該物件的共享，相比整個物件的傳遞，大大的降低了物件的拷貝時間。另外，相比於棧空間，堆的容量要 大得多。實際上，當實體記憶體不夠時，如果這時還需要生成新的堆物件，通常不會產生執行時錯誤，而是系統會使用虛擬記憶體來擴充套件實際的實體記憶體。

靜態儲存區。所有的靜態物件、全域性物件都於靜態儲存區分配。關於全域性物件，是在 main()函式執行前就分配好了的。其實，在main()函式中的顯示代 碼執行之前，會呼叫一個由編譯器生成的_main()函式，而_main()函式會進行所有全域性物件的的構造及初始化工作。而在main()函式結束之 前，會呼叫由編譯器生成的exit函式，來釋放所有的全域性物件。除了全域性靜態物件，還有區域性靜態物件通和class的靜態成員，區域性靜態物件是在函式中 定義的，就像棧物件一樣，只不過，其前面多了個static關鍵字。區域性靜態物件的生命期是從其所在函式第一次被呼叫，更確切地說，是當第一次執行到該靜 態物件的宣告程式碼時，產生該靜態區域性物件，直到整個程式結束時，才銷燬該物件。class的靜態成員的生命週期是該class的第一次呼叫到程式的結束。

記憶體分配方式
　　記憶體分配方式有三種：
[1]從靜態儲存區域分配。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個執行期間都存在。例如全域性變數，static變數。
[2]在棧上建立。在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內建於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。
[3]從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在執行的時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式設計師自己負責在何時用free或delete釋 放記憶體。動態記憶體的生存期由程式設計師決定，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責任回收它，否則執行的程式會出現記憶體洩漏，頻繁地分配和釋放不同大 小的堆空間將會產生堆內碎塊。

[4]  文字常量分配在文字常量區，程式結束後由系統釋放。

應用例項：

這是一個前輩寫的，非常詳細

//main.cpp

int a = 0; 全域性初始化區

char *p1; 全域性未初始化區

main()

{

int b;// 棧

char s[] = "abc"; //棧

char *p2; //棧

char *p3 = "123456"; //"123456\0"在常量區，p3在棧上。

static int c =0； //全域性（靜態）初始化區

p1 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20);

//分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。

strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。}

static的內部機制：

 靜態資料成員要在程式一開始執行時就必須存在。因為函式在程式執行中被呼叫，所以靜態資料成員不能在任何函式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，一是作為類的外部介面的標頭檔案，那裡有類宣告；二是類定義的內部實現，那裡有類的成員函式定義；三是應用程式的main（）函式前的全域性資料宣告和定義處。
      靜態資料成員要實際地分配空間，故不能在類的宣告中定義（只能宣告資料成員）。類宣告只宣告一個類的“尺寸和規格”，並不進行實際的記憶體分配，所以在類宣告中寫成定義是錯誤的。它也不能在標頭檔案中類宣告的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的原始檔中，對其重複定義。
      static被引入以告知編譯器，將變數儲存在程式的靜態儲存區而非棧上空間，靜態
資料成員按定義出現的先後順序依次初始化，注意靜態成員巢狀時，要保證所巢狀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：
       可以節省記憶體，因為它是所有物件所公有的，因此，對多個物件來說，靜態資料成員只儲存一處，供所有物件共用。靜態資料成員的值對每個物件都是一樣，但它的值是可以更新的。只要對靜態資料成員的值更新一次，保證所有物件存取更新後的相同的值，這樣可以提高時間效率。

        引用靜態資料成員時，採用如下格式：
         <類名>::<靜態成員名>
    如果靜態資料成員的訪問許可權允許的話(即public的成員)，可在程式中，按上述格式

『檔案過大，有興趣者可通過郵箱索要』