C語言的記憶體分配

JinhaoPlus發表於2019-05-11
C語言記憶體

轉載自：
http://blog.csdn.net/chenyiming_1990/article/details/9476181

先看一下兩段程式碼：

char* toStr()   
{  
    char *s = "abcdefghijkl";  
    return s;  
}  

int main()  
{  
    cout << toStr() << endl;  
    return 0;  
}

和

char* toStr()   
{  
    char s[] = "abcdefghijkl";  
    return s;  
}  
int main()  
{  
    cout << toStr() << endl;  
    return 0;  
}

前一段程式碼列印出來是字串，而後一段程式碼列印出來就是亂碼。記得學C語言的時候講到，字串是被當做字元陣列來處理的。所以字元陣列名就相當於指向首地址的指標。那麼
1. char *s = “abcdefghijkl”;
2. char s[] = “abcdefghijkl”;
這兩種表示式似乎是一樣的，可是為什麼程式結果會不一樣呢？原因就是沒有對記憶體分配了解好。當然現在的C語言教材不會講到的。
解釋：
程式的意思比較簡單，不用解釋。
第一種表示式，指標s是區域性變數，他的作用域是函式toStr內。它將其指向的地址返回，返回之後s即被銷燬，慶幸s指向的地址被返回了回來。最終列印正確。
第二種表示式，那麼我們會問第二種與第一種的區別在哪，為何錯？原因就是第一種指標s雖然是區域性變數，被分配在棧空間，作用域是函式內部，但其指向的內容”abcdefghijkl”是常量，被分配在程式的常量區。直到整個程式結束才被銷燬。而第二種，s是一陣列，分配到棧空間，”abcdefghijkl”作為陣列各個元素被放到陣列中，一旦函式退出，棧中這塊記憶體就被釋放。雖然返回一個地址，可是已經失去它的意義了。

通過以上例子，我們來學習學習記憶體分配的問題吧。

首先，需要搞清楚：變數的型別和它的儲存類別是兩個概念。
資料型別和記憶體管理沒有直接的關係。

一、一個由C/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分：
1、棧區（stack）—由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。
2、堆區（heap）—一般由程式設計師分配釋放，若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列，呵呵。
3、全域性區（靜態區）（static），全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域，未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。 程式結束後由系統釋放。
4、文字常量區—常量字串就是放在這裡的。程式結束後由系統釋放
5、程式程式碼區—存放函式體的二進位制程式碼。

二、例子程式
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。        
}

這下就對程式的記憶體分配理解更深入了吧。

其實包括其他程式語言，Java等，他們都有所謂的棧空間和堆空間以及常量區，我們經常寫完程式之後發現莫名的錯誤，或者記憶體被慢慢吞噬，這都是這方面的原因。

以下是堆和棧的理論知識

  • 2.1申請方式

stack: 由系統自動分配。 例如，宣告在函式中一個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間
heap: 需要程式設計師自己申請，並指明大小，在c中malloc函式
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算子
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。

  • 2.2 申請後系統的響應

棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢位。
堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列，當系統收到程式的申請時，
會遍歷該連結串列，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點連結串列中刪除，並將該結點的空間分配給程式，另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，程式碼中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中。

  • 2.3申請大小的限制

棧：在Windows下,棧是向低地址擴充套件的資料結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS 下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴充套件的資料結構，是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用連結串列來儲存的空閒記憶體地址的，自然是不連續的，而連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。
所以在程式中自動變數陣列（函式內部）不能很大，因為棧（這就是我們通常說的程式的堆疊段，大陣列發生段溢位）的大小有限，而可以申請為全域性變數，因為那是分配在靜態區，大小不受限制。

  • 2.4申請效率的比較：

棧由系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。
堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體，他不是在堆，也不是在棧是直接在程式的地址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活

  • 2.5堆和棧中的儲存內容

棧： 在函式呼叫時，第一個進棧的是主函式中後的下一條指令（函式呼叫語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函式的各個引數，在大多數的C編譯器中，引數是由右往左入棧的，然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。
當本次函式呼叫結束後，區域性變數先出棧，然後是引數，最後棧頂指標指向最開始存的地址，也就是主函式中的下一條指令，程式由該點繼續執行。
堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。

  • 2.6存取效率的比較

char s1[] = “aaaaaaaaaaaaaaa”;
char *s2 = “bbbbbbbbbbbbbbbbb”;
aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
但是，在以後的存取中，在棧上的陣列比指標所指向的字串(例如堆)快。
比如：

#include <stdio.h> 
void main() 
{ 
char a = 1; 
char c[] = "1234567890"; 
char *p ="1234567890"; 
a = c[1]; 
a = p[1]; 
return; 
}

對應的彙編程式碼

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

第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，在根據edx讀取字元，顯然慢了。

補充：
自動變數、靜態變數和全域性變數

  • 自動變數的關鍵字auto預設預設，我們建立的大多數變數都是這種型別，建立後儲存在棧記憶體中；
  • 靜態變數關鍵字為static，它與自動變數的區別在於儲存在記憶體靜態區中，因此生命週期與程式一致，在程式結束時才會釋放。
  • 全域性變數一般放在各函式之外，因此其生命週期也是隨程式結束而釋放，儲存在全域性區中（全域性區和靜態區實際是同一塊區域）。和靜態變數的區別在於，雖然二者儲存位置相同、生命週期都是伴隨程式至結束，但是靜態變數的作用域和一般的自動變數相同，在作用不到的範圍裡靜態變數雖然仍然在記憶體裡，但是不能訪問，而全域性變數在整個程式中都可以被訪問。

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