C语言的内存分配

转载自：
http://blog.csdn.net/chenyiming_1990/article/details/9476181

先看一下两段代码：

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;  
}  

前一段代码打印出来是字符串，而后一段代码打印出来就是乱码。记得学C语言的时候讲到，字符串是被当做字符数组来处理的。所以字符数组名就相当于指向首地址的指针。那么
1. char *s = "abcdefghijkl";
2. char s[] = "abcdefghijkl";
这两种表达式似乎是一样的，可是为什么程序结果会不一样呢？原因就是没有对内存分配了解好。当然现在的C语言教材不会讲到的。
解释：
程序的意思比较简单，不用解释。
第一种表达式，指针s是局部变量，他的作用域是函数toStr内。它将其指向的地址返回，返回之后s即被销毁，庆幸s指向的地址被返回了回来。最终打印正确。
第二种表达式，那么我们会问第二种与第一种的区别在哪，为何错？原因就是第一种指针s虽然是局部变量，被分配在栈空间，作用域是函数内部，但其指向的内容"abcdefghijkl"是常量，被分配在程序的常量区。直到整个程序结束才被销毁。而第二种，s是一数组，分配到栈空间，"abcdefghijkl"作为数组各个元素被放到数组中，一旦函数退出，栈中这块内存就被释放。虽然返回一个地址，可是已经失去它的意义了。

通过以上例子，我们来学习学习内存分配的问题吧。

首先，需要搞清楚：变量的类型和它的存储类别是两个概念。
数据类型和内存管理没有直接的关系。

一、一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：
1、栈区（stack）—由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区（heap）—一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，呵呵。
3、全局区（静态区）（static），全局变量和静态变量的存储是放在一块的，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和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 程序结束后由系统释放。
4、文字常量区—常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放
5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

二、例子程序
这是一个前辈写的，非常详细

//main.cpp    
int a = 0; //全局初始化区  
char *p1; //全局未初始化区  

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字节的区域就在堆区。  
    strcpy(p1, "123456"); //123456\\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。        
}   

这下就对程序的内存分配理解更深入了吧。

其实包括其他编程语言，Java等，他们都有所谓的栈空间和堆空间以及常量区，我们经常写完程序之后发现莫名的错误，或者内存被慢慢吞噬，这都是这方面的原因。

以下是堆和栈的理论知识

• 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本身是在栈中的。

• 2.2 申请后系统的响应

栈：只要栈的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的链表，当系统收到程序的申请时，
会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

• 2.3申请大小的限制

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS 下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
所以在程序中自动变量数组（函数内部）不能很大，因为栈（这就是我们通常说的程序的堆栈段，大数组发生段溢出）的大小有限，而可以申请为全局变量，因为那是分配在静态区，大小不受限制。

• 2.4申请效率的比较：

栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆是由new分配的内存，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，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的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堆和栈中的存储内容

栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。
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的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

• 2.6存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(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; 
} 

对应的汇编代码

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的元素读到寄存器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。

补充：
自动变量、静态变量和全局变量

• 自动变量的关键字auto默认缺省，我们创建的大多数变量都是这种类型，创建后存储在栈内存中；
• 静态变量关键字为static，它与自动变量的区别在于存储在内存静态区中，因此生命周期与程序一致，在程序结束时才会释放。
• 全局变量一般放在各函数之外，因此其生命周期也是随程序结束而释放，存储在全局区中（全局区和静态区实际是同一块区域）。和静态变量的区别在于，虽然二者存储位置相同、生命周期都是伴随程序至结束，但是静态变量的作用域和一般的自动变量相同，在作用不到的范围里静态变量虽然仍然在内存里，但是不能访问，而全局变量在整个程序中都可以被访问。