C语言程序的内存分配方式
来源:优易学  2011-1-4 9:49:08   【优易学:中国教育考试门户网】   资料下载   IT书店

  1.内存分配方式
  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]在栈上创建。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。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。
  [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程序员决定,使用非常灵活,但如果在堆上分配了空间,就有责任回收它,否则运行的程序会出现内存泄漏,频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。
  2.程序的内存空间
  一个程序将操作系统分配给其运行的内存块分为4个区域,如下图所示。
  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 ,存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。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 。分配方式类似于链表。
  3、全局区(静态区)(static)—存放全局变量、静态数据、常量。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(类成员函数和全局函数)的二进制代码。
  下面给出例子程序,
  int a = 0; //全局初始化区
  char *p1; //全局未初始化区
  int main() {
  int b; //栈
  char s[] = "abc"; //栈
  char *p2; //栈
  char *p3 = "123456"; //123456在常量区,p3在栈上。
  static int c =0;//全局(静态)初始化区
  p1 = new char[10];
  p2 = new char[20];
  //分配得来得和字节的区域就在堆区。
  strcpy(p1, "123456"); //123456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。
  }
  3.堆与栈的比较
  3.1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,C++中是new运算符。
  如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
  如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
  但是注意p1、p2本身是在栈中的。
  3.2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。
  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。
  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。
  3.3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。
  3.4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,也不是栈,而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。
  3.5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。
  3.6存取效率的比较
  char s1[] = "a";
  char *s2 = "b";
  a是在运行时刻赋值的;而b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:
  int main(){
  char a = 1;
  char c[] = "1234567890";
  char *p ="1234567890";
  a = c[1];
  a = p[1];
  return 0;
  }
  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,再根据edx读取字符,显然慢了。

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责任编辑:小草

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