C++基础系列十：C++中内存分配

（1）C++中内存种类

C++中，一般将内存分成5个区：栈、堆、自由存储区、全局/静态存储区、常量存储区。 此外还包括存放二进制函数体的程序代码区。

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除的变量的存储区，里面的变量通常是局部变量、函数参数等。

堆：程序在运行的时候用new分配的指定大小的内存块，编译器不负责释放，程序员自己负责在何时用delete 释放内存，因而其生存期是由程序员决定的。如果程序员不释放，在程序结束后系统会释放掉这块内存。不同于数据结构中的堆，内存中的堆分配方式类似于链表。

自由存储区：由 malloc 等分配的内存块，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(初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量与静态变量在相邻的另一块区域，同时未被初始化的对象存储区可以通过 void* 来访问和操纵，程序结束后由系统自行释放)，在 C++ 里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。程序结束后由系统释放。

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，除非通过非正当手段也可以修改，而且方法很多。程序结束后，由系统释放。

（2）C++中内存分配方式

C++中内存分配方式一般有以下三种：

1）从全局/静态存储区分配：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在，例如全局变量，static变量。

2）从栈上分配：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。

3）从自由存储区上/堆上分配：亦称动态内存分配，程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。只有在堆上分配的内存才需要（也必须）我们进行释放，否则就会造成内存泄漏。

（3）栈和堆的区别

下面的一条语句中，既包含了堆分配也包含了栈分配：new分配了一块堆内存，而指针p分配的是一块栈内存，所以结果是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。

int* p=new int[5];

栈和堆主要的区别有以下几点：

　　1、管理方式不同；

　　2、空间大小不同；

　　3、能否产生碎片不同；

　　4、生长方向不同；

　　5、分配方式不同；

　　6、分配效率不同；

　　管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

　　空间大小：一般来讲在 32 位系统下，堆内存可以达到4G的空间，主要受限于计算机系统中有效的虚拟内存，这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有大小限制的连续空间，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M或2M，是在编译时就确定的一个常数，如果超过栈空间，就会出现overflow（栈溢出）错误。

　　碎片问题：对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在它弹出之前，在它上面的后进的栈内容已经被弹出，因而不会出现内存碎片。

　　生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向，由低地址到高地址；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

　　分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配；动态分配由 malloc函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

　　分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是 C/C++ 函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

　　从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP 和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。

　　虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。

　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生，因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的。