“瑜珈山夜話” ----記憶體分配（一） (轉)

“瑜珈山夜話” ----記憶體分配（一） (轉)[@more@]

  摘要：管理向來是C/C++設計的一塊雷區，大家都不怎麼願意去碰她，但是有時不得不碰它。雖然利用C++中的smart pointer已經可以完全避免使用指標，但是對於對於指標的進一步瞭解，有助於我們編寫出更有的程式碼，也有助於我們讀懂以前編寫的程式。

  五大記憶體分割槽
  在C++中，記憶體分成5個區，他們分別是堆、棧、自由區、全域性/靜態儲存區和常量儲存區。
  棧，就是那些由在需要的時候分配，在不需要的時候自動清楚的變數的儲存區。裡面的變數通常是區域性變數、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，操作會自動回收。
  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。
  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，你要透過非正當手段也可以修改，而且方法很多，在《const的思考》一文中，我給出了6種方法）
 
  明確區分堆與棧
  在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。
  首先，我們舉一個例子：
  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，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆記憶體，那麼指標p呢？他分配的是一塊棧記憶體，所以這句話的意思就是：在棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指標p。在程式會先確定在堆中分配記憶體的大小，然後operator new分配記憶體，然後返回這塊記憶體的首地址，放入棧中，他在VC6下的程式碼如下：
  00401028  push  14h
  0040102A  call  operator new (00401060)
  0040102F  add  esp,4
  00401032  mov  d ptr [ebp-8],eax
  00401035  mov  eax,dword ptr [ebp-8]
  00401038  mov  dword ptr [ebp-4],eax
  這裡，我們為了簡單並沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？澳，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個陣列，VC6就會根據相應的Cookie資訊去進行釋放記憶體的工作。
  好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？
  主要的區別由以下幾點：
  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：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：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，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改： 
  開啟工程，依次操作選單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆疊的最大值和commit。
注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬記憶體的頁裡面，它設定的較大會使棧開闢較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。
  碎片問題：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，詳細的可以參考資料結構，這裡我們就不再一一討論了。
  生長方向：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：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：棧是機器系統提供的資料結構，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，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/）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。
  從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於可能引發態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函式的呼叫也利用棧去完成，函式呼叫過程中的引數，返回地址，EBP和區域性變數都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。
  雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，還是用堆好一些。
  無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程式執行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候de可是相當困難的：）
  對了，還有一件事，如果有人把堆疊合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？