各编程语言的内存分配方式

Posted 2020-07-08 小金乌会发光－Z&M

C++的内存分配方式：

1、栈区（stack）——由编译器自动分配释放，在不需要的时候自动清除。用于存放函数的参数、局部变量等。在一个进程中，位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数的调用。操作方式类似数据结构中的栈（后进先出）。

2、堆区（heap）——就是那些由 new 分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个 new 就要对应一个 delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。堆可以动态地扩展和收缩。不同于数据结构中的堆，分配方式有些类似链表。

自由存储区——就是那些由 malloc 等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用 free 来结束自己的生命的。

3、全局区（静态区）——全局变量和静态变量存储在这里。程序结束后由系统释放。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（DATA段），未初始化的全局变量与静态变量在相邻的另一块区域（BSS段），同时未被初始化的对象存储区可以通过 void* 来访问和操纵），在 C++ 里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。

4、常量存储区——常量字符串就存放在这里。一般不允许修改。程序结束后由系统释放。

5、代码区——存放函数体的二进制代码。

示意图如下：

|----------------------|     高地址
|     栈区(Statk)    | -->向下增长
|----------------------|
|     堆区(Heap)    | -->向上增长
|----------------------|
| 未初始化(BSS) |
|----------------------|
|   初始化(Data)   |
|----------------------|
|    常量存储区    |
|----------------------|
|   正文段(Text)   |
|----------------------|    低地址

附：堆和栈究竟有什么区别？

1、管理方式不同：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。 　

2、空间大小不同：一般来讲在 32 位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从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，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是这样的） 　　

3、能否产生碎片不同：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，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出。 　　

4、生长方向不同：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；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。 　　

5、分配方式不同：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。 　　

6、分配效率不同：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（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）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。

小结：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（除非你是故意使其越界），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 就相当困难了。

ps：如果有人把堆栈合起来说，那它的意思是栈，可不是堆。

可参考文章：

C++内存分配方式详解——堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区

 

C的内存分配方式：

C语言的强大之处在于它能直接操作内存（指针），但是要完全熟悉它的操作方式我们必须要弄清它的存储方式。存储变量的位置分为：普通内存(静态存储区)、运行时堆栈（动态存储区）、硬件寄存器（动态存储区），当然这几种存储的效率是从低到高的。以及常量存储区和代码存储区，分别用于存储字符串常量、使用const修饰的全局变量以及二进制函数代码。

在C语言中没有其他高级语言public、private等修饰符，来限定变量和函数的有效范围，但是却有两个类似的关键字能达到类似的效果：extern和static。

1. extern作用于变量时用于声明一个已经定义的变量，但是并不能定义变量；使用extern你可以在其他文件中使用全局变量（当然此时extern可以省略）；
2. extern作用于函数时与它作用于全局变量有点类似，声明这个函数是外部函数，其他文件可以访问，但不同的是当它作用于函数时不仅可以声明函数还可以定义函数（用在函数定义前面），不管是定义还是声明都可以省略，C语言默认认为函数定义或声明都是外部函数；
3. static作用于变量时，该变量只会定义一次，以后在使用时不会重新定义，当static作用于全局变量时说明该变量只能在当前文件可以访问，其他文件中不能访问；
4. static作用于函数时与作用于全局变量类似，表示声明或定义该函数是内部函数（又叫静态函数），在该函数所在文件外的其他文件中无法访问此函数；

可参考文章：

C语言之存储方式和作用域