C++內(nèi)存分配原則方法

學(xué)了這么久的C++了，對與這一塊還是很模糊，自己也總結(jié)了不少，今天看了一個不錯的總結(jié)，由于沒有分享，就轉(zhuǎn)載過來了。附上原文地址：

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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量的存儲區(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。在一個進程中，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)行期間可以動態(tài)地擴展和收縮。

　　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?new?就要對應(yīng)一個?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)會自動回收。堆可以動態(tài)地擴展和收縮。

　　自由存儲區(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，同時未被初始化的對象存儲區(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++?里面沒有這個區(qū)分了，他們共同占用同一塊內(nèi)存區(qū)。

　　常量存儲區(qū)，這是一塊比較特殊的存儲區(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，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學(xué)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(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)存中存放了一個指向一塊堆內(nèi)存的指針?p。在程序會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，他在?VC6?下的匯編代碼如下：

　　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)榱撕唵尾]有釋放內(nèi)存，那么該怎么去釋放呢？是?delete p?么？噢，錯了，應(yīng)該是?delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數(shù)組，VC6?就會根據(jù)相應(yīng)的?Cookie?信息去進行釋放內(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：

　　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、生長方向不同；

　　5、分配方式不同；

　　6、分配效率不同；

　　管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，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)存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，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)存的頁文件里面，它設(shè)置的較大會使棧開辟較大的值，可能增加內(nèi)存的開銷和啟動時間。

　　碎片問題：對于堆來講，頻繁的?new/delete?勢必會造成內(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。對于棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進后出的隊列，他們是如此的一一對應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進的棧內(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。

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

　　分配方式：堆都是動態(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。動態(tài)分配由 malloc?函數(shù)進行分配，但是棧的動態(tài)分配和堆是不同的，他的動態(tài)分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現(xiàn)。

　　分配效率：棧是機器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計算機會在底層對棧提供支持：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)庫提供的，它的機制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫函數(shù)會按照一定的算法（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，這樣就有機會分到足夠大小的內(nèi)存，然后進行返回。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，代價變得更加昂貴。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），因為越界的結(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，說不定什么時候就崩掉，那時候?debug?可是相當(dāng)困難的 ：）

　　對了，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，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)束時會釋放掉，這樣就產(chǎn)生了一個問題:?如果想將函數(shù)中此變量的值保存至下一次調(diào)用時，如何實現(xiàn)？?最容易想到的方法是定義一個全局的變量，但定義為一個全局變量有許多缺點，最明顯的缺點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）。需要一個數(shù)據(jù)對象為整個類而非某個對象服務(wù)，同時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，對外不可見。

　　static 的內(nèi)部機制：

　　靜態(tài)數(shù)據(jù)成員要在程序一開始運行時就必須存在。因為函數(shù)在程序運行中被調(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）。類聲明只聲明一個類的“尺寸和規(guī)格”，并不進行實際的內(nèi)存分配，所以在類聲明中寫成定義是錯誤的。它也不能在頭文件中類聲明的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的源文件中，對其重復(fù)定義。

　　static?被引入以告知編譯器，將變量存儲在程序的靜態(tài)存儲區(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，要保證所嵌套的成員已經(jīng)初始化了。消除時的順序是初始化的反順序。

　　static 的優(yōu)勢：

　　可以節(jié)省內(nèi)存，因為它是所有對象所公有的，因此，對多個對象來說，靜態(tài)數(shù)據(jù)成員只存儲一處，供所有對象共用。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的值對每個對象都是一樣，但它的?值是可以更新的。只要對靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的值更新一次，保證所有對象存取更新后的相同的值，這樣可以提高時間效率。引用靜態(tài)數(shù)據(jù)成員時，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)是屬于整個類而非類的對象，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“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)生了一個意想不到的好處：成為一個?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空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態(tài)成員的訪問時間，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>時前面加關(guān)鍵字?static。

　　(7)?靜態(tài)數(shù)據(jù)成員是靜態(tài)存儲的，所以必須對它進行初始化。

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

　　初始化在類體外進行，而前面不加?static，以免與一般靜態(tài)變量或?qū)ο笙嗷煜?/p>

　　初始化時不加該成員的訪問權(quán)限控制符?private、public；

　　初始化時使用作用域運算符來標(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與父類相同的靜態(tài)變量，以屏蔽父類的影響。這里有一點需要注意：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，這會不會引起錯誤呢？不會，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。