初探内存管理

一、程序运行时占用内存主要有一下五个方式：



1.栈内存：由编译器自动管理，在需要的时候分配，在不需要的时候自动清除的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。栈的空间比较小，操作速度快，它存储的东西分为两种：一种是数值，一种是地址；（当存在栈里的变量是基本类型的时候，存储方式是直接存储数值，当存储的是其他构造数据类型时，比如数组、结构体，存储方式是在栈里存储一个地址数值，这个地址指向这个构造数据类型所在的空间，比如一个构造数据类型的存储地址是0x1FFFFFA1～0x1FFFFFBF，那么在栈里就存储一个数值：0x1FFFFFA1。栈里的数据在使用完之后，所占的内存空间就会自动释放。）

2.堆内存：这是一块较大的存储空间，由程序员自行操作，这里面存放的就是数组、字符串、结构体、对象等等。可以由编译器自动分配，如C语言里定义数组时，也可以由程序员手动开辟，如C语言用malloc函数、C++用new开辟内存。堆的调用速度比栈要慢，因为当要调用时，首先调用栈里面的地址，再通过地址调用堆里面的数据，比直接操作栈里的数据自然是慢了许多。使用完堆内存，需要手动释放，否则它就一直存在于内存中，直到垃圾回收机制运行，发现没有指向这段内存的引用，才会释放掉它。

3.全局/静态内存：全局变量和静态变量存储的地方，程序结束后由系统释放。初始化全局变量和静态变量在一块区域（data区），
未初始化全局变量和未初始化静态变量在相邻另一块区域(bbs区)。 编程尽量不推荐使用全局（静态）变量，主要原因有三，一是全局（静态）变量在整个程序执行过程中都占有空间，耗费空间。；二是全局（静态）变量使函数的通用性、移植性降低了，耦合性变强了；三是全局（静态）变量使程序的可读性降低，难以判断全局变量在一定时刻的具体值。当然，再深一层次的讲，全局（静态）变量还会降低程序的安全性。

4.常量存储区：存储const常量字符串等。
程序结束后由系统释放(coment区)。

5.程序代码区：存储的是程序指令，都是二进制代码，其实就是一个数组，cpu每次从中提取一条指令执行。

二、例子程序

下面是一个经典的例子：

//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区，bbs区
char *p1; //全局未初始化区，data区
main()
{
int b; //栈
char s[] = "abc"; //栈
char *p2; //栈
char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。
static int c =0; //全局（静态）初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); //分配得来得10和20字节区域就在堆区。
strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向"123456"优化成一个地方。
}

三、堆和栈理论知识
2.1申请方式
stack:
由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间
heap:
需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符
如p2 = (char *)malloc(10);

但是注意p1、p2本身是在栈中。

2.2申请后系统响应
栈：只要栈剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址链表，当系统收到程序申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中首地址处记录本次分配大小，这样，代码中delete语句才能正确释放本内存空间。另外，由于找到堆结点大小不一定正好等于申请大小，系统会自动将多余那部分重新放入空闲链表中。

2.3申请大小限制
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展数据结构，是一块连续内存区域。这句话意思是栈顶地址和栈最大容量是系统预先规定好，在WINDOWS下，栈大小是2M（也有说是1M，总之是一个编译时就确定常数），如果申请空间超过栈剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得空间较小。

堆：堆是向高地址扩展数据结构，是不连续内存区域。这是由于系统是用链表来存储空闲内存地址，自然是不连续，而链表遍历方向是由低地址向高地址。堆大小受限于计算机系统中有效虚拟内存。由此可见，堆获得空间比较灵活，也比较大。

2.4申请效率比较：
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制。
堆是由new分配内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

另外，在WINDOWS下，最好方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

2.5堆和栈中存储内容
栈： 在函数调用时，第一个进栈是主函数中后下一条指令（函数调用语句下一条可执行语句）地址，然后是函数各个参数，在大多数C编译器中，参数是由右往左入栈，然后是函数中局部变量。注意静态变量是不入栈。
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存地址，也就是主函数中下一条指令，程序由该点继续运行。

堆：一般是在堆头部用一个字节存放堆大小。堆中具体内容有程序员安排。

2.6存取效率比较
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值；
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定；
但是，在以后存取中，在栈上数组比指针所指向字符串(例如堆)快。
比如：

void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}

对应汇编代码
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
第一种在读取时直接就把字符串中元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。
2.7小结：
堆和栈区别可以用如下比喻来看出：
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他好处是快捷，但自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己口味，而且自由度大。
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全局变量或者静态变量，它们都放在堆里
局部变量放在栈里
堆区,也叫自由存储区.
为什么说在堆上分配内存比在栈上分配内存慢？堆空间开辟需要用系统函数，栈上直接修改指针
堆空间管理需要系统记帐，栈上空间可以由编译器管理或是保存在某个处理器寄存器中。
堆空间释放需要系统管理，栈上释放可以直接丢弃。堆空间需要通过栈上指针间接引用，所以访问会慢
记得在apue2上面看到关于线程中有这样一段话,大致意思是,一个线程有自己堆栈,可以在堆栈上分配内存,比如说一个结构体,如果这个线程调用了pthread_exit()返回这个结构体指针时候之后要特别小心,因为很有可能这个结构体里面成员值发生改变,这个可以理解,因为同一个进程所有线程资源是共享,当这个线程退出之后那部分以前用过堆栈很可能被其它线程占用,但同时又说如果malloc就不会出现这样问题,
比如，在栈上分一个int，只要esp-4就可以了，
在堆上系统要记录被分配内存信息，以便释放
BTW:
栈有序
堆无序
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内存分配方式有三种：   
   
   1.从静态存储区域分配。内存在程序编译时候就已经分配好，这块内存在程序整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。
  
   
   2.在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量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。栈内存分配运算内置于处理器指令集中，效率很高，但是分配内存容量有限。
  
   
   3.从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行时候用malloc或new申请任意多少内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。
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一般所说堆栈（stack)往往是指栈，先进后出，它是一块内存区。用以存放程序局部变量，临时变量，函数参数，返回地址等。在这块区域中变量分配和释放由系统自动进行。不需要用户参与。
  

   而在堆(heap,先进先出)上空间则是由用户进行分配，并由用户负责释放。