会飞的鱼

2020
Godam
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C++内存分配详解

一、数据结构中的栈和堆

    虽说我们经常把堆栈放在一起称呼,但是不可否认的是,堆栈实际上是两种数据结构:堆和栈。

    堆和栈都是一种数据项按序排列的数据结构。

  • 栈:就像装数据的桶或箱子,它是一种具有后进先出性质的数据结构。
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    可以发现,栈底始终不动,出栈入栈只是在移动栈顶,当栈中没有数据时,栈顶和栈底重合。

    这里需要注意标识栈顶和栈底的两个寄存器: ebp寄存器指向栈底,esp寄存器指向栈顶。从本质上来讲,栈是一段连续的内存,需要同时记录栈底和栈顶,才能对当前的栈进行定位。

  • 堆:一种经过排序的树形数据结构,每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构,是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小(或最大),且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性,常用来实现优先队列,堆的存取是随意,这就如同我们在图书馆的书架上取书,虽然书的摆放是有顺序的,但是我们想取任意一本时不必像栈一样,先取出前面所有的书,书架这种机制不同于箱子,我们可以直接取出我们想要的书。
二、内存分配中的栈和堆


 注意:一般情况下,当我们说“堆栈”的时候,其实说的是“栈”!

    一般情况下程序存放在Rom或Flash中,运行时需要拷到内存中执行,内存会分别存储不同的信息。内存中的栈区处于相对较高的地址以地址的增长方向为上的话,栈地址是向下增长的。

    栈中分配局部变量空间,堆区是向上增长的用于分配程序员申请的内存空间。另外还有静态区是分配静态变量,全局变量空间的;只读区是分配常量和程序代码空间的;以及其他一些分区。

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C语言在linux系统下的占区图:

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程序的内存分配:

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(操作系统)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。
    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。

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"; //123456/0在常量区,p3在栈上。    

  static int c =0;//全局(静态)初始化区    
  p1 =  (char  *)malloc(10);  //分配得来得10和20字节的区域就在堆区
  p2  = (char  *)malloc(20);       
  strcpy(p3,"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。    
}    
下面详细讲解一下内存分配的几个区:

    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。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。和堆一样,用户栈在程序执行期间可以动态地扩展和收缩。

    自由存储区: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。

    堆: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。

    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。

    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(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多)
void f() { int* p=new int[5]; }
    这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到 new,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针 p 呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针 p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用 operator new 分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中。

    那么该怎么去释放呢?

    使用 delete []p,这是为了告诉编译器:我删除的是一个数组,VC6 就会根据相应的 Cookie 信息去进行释放内存的工作。


函数的进栈出栈过程


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函数进栈
1) main() 是主函数,也需要进栈,如步骤①所示。

2) 在步骤②中,执行语句func(90, 26);,先将实参 90、26 压入栈中,再将返回地址压入栈中,这些工作都由 main() 函数(调用方)完成。这个时候 ebp 的值并没有变,仅仅是改变 esp 的指向。

3) 到了步骤③,就开始执行 func() 的函数体了。首先将原来 ebp 寄存器的值压入栈中(也即图中的 old ebp),并将 esp 的值赋给 ebp,这样 ebp 就从 main() 函数的栈底指向了 func() 函数的栈底,完成了函数栈的切换。由于此时 esp 和ebp 的值相等,所以它们也就指向了同一个位置。

4) 为局部变量、返回值等预留足够的内存,如步骤④所示。由于栈内存在函数调用之前就已经分配好了,所以这里并不是真的分配内存,而是将 esp 的值减去一个整数,例如 esp - 0XC0,就是预留 0XC0 字节的内存。

5) 将 ebp、esi、edi 寄存器的值依次压入栈中。

6) 将局部变量的值放入预留好的内存中。

至此,func() 函数的活动记录就构造完成了。可以发现,在函数的实际调用过程中,形参是不存在的,不会占用内存空间,内存中只有实参,而且是在执行函数体代码之前、由调用方压入栈中的。

未初始化的局部变量的值为什么是垃圾值

为局部变量分配内存时,仅仅是将 esp 的值减去一个整数,预留出足够的空白内存,不同的编译器在不同的模式下会对这片空白内存进行不同的处理,可能会初始化为一个固定的值,也可能不进行初始化。

函数出栈
步骤⑦到⑨是函数 func() 出栈过程:
7) 函数 func() 执行完成后开始出栈,首先将 edi、esi、ebx 寄存器的值出栈。

8) 将局部变量、返回值等数据出栈时,直接将 ebp 的值赋给 esp,这样 ebp 和 esp 就指向了同一个位置。

9) 接下来将 old ebp 出栈,并赋值给现在的 ebp,此时 ebp 就指向了 func() 调用之前的位置,即 main() 活动记录的 old ebp 位置,如步骤⑨所示。

这一步很关键,保证了还原到函数调用之前的情况,这也是每次调用函数时都必须将 old ebp 压入栈中的原因。

最后根据返回地址找到下一条指令的位置,并将返回地址和实参都出栈,此时 esp 就指向了 main() 活动记录的栈顶, 这意味着 func() 完全出栈了,栈被还原到了 func() 被调用之前的情况。

堆和栈究竟有什么区别?
主要的区别由以下几点:

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,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,记不清楚了)。当然,我们可以修改:打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在 Category 中选中 Output,然后在 Reserve 中设定堆栈的最大值和 commit。注意:reserve 最小值为 4Byte;commit 是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。

    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,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。

    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;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(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。

    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 可是相当困难的 



堆和栈还有几点不同:

1、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、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、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块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。

4、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。堆中的具体内容由程序员安排。

5、堆和栈上的内存操作越界

  • 1.堆内存越界主要是操作的内存超过了calloc/malloc/new等在堆上分配内存函数所分配的大小,后果导致下次calloc/malloc/new的失败,malloc失败发生_int_malloc错误(引起abort)大多是这种情况引起的;

  • 2.栈内存越界的情况大多出现在对数组的操作上,数组下标超过了数组定义的长度,后果导致覆盖其他变量。


文章摘自 https://blog.csdn.net/u013007900/article/details/79338653

              https://blog.csdn.net/dongtuoc/article/details/79132137
              https://www.2cto.com/kf/201802/718986.html

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原文地址《 C++内存分配详解》发布于2020-2-10

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