詳解C/C++中堆和棧及靜態資料區

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　　五大記憶體分割槽

在C++中，記憶體分成5個區，他們分別是堆、棧、自由儲存區、全域性/靜態儲存區和常量儲存區。下面分別來介紹：

棧，就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清除的變數的儲存區。裡面的變數通常是區域性變數、函式引數等。

堆，就是那些由new分配的記憶體塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程式去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程式設計師沒有釋放掉，那麼在程式結束後，作業系統會自動回收。

自由儲存區，就是那些由malloc等分配的記憶體塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。

全域性/靜態儲存區，全域性變數和靜態變數被分配到同一塊記憶體中，在以前的C語言中，全域性變數又分為初始化的和未初始化的，在C++裡面沒有這個區分了，他們共同佔用同一塊記憶體區（未初始化的變數都被初始化成0或空串，C中也一樣）。

常量儲存區，這是一塊比較特殊的儲存區，他們裡面存放的是常量，不允許修改（當然，你要通過非正當手段也可以修改，而且方法很多）。

　　明確區分堆與棧：

在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。

　　首先，我們舉一個例子：

void f() { int* p=new int[5]; }

上面這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆記憶體，那麼指標p呢？他分配的是一塊棧記憶體，所以這句話的意思 就是：在棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指標p。在程式會先確定在堆中分配記憶體的大小，然後呼叫operator new分配記憶體，然後返回這塊記憶體的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編程式碼如下：

00401028 push 14h

0040102A call operator new (00401060)

0040102F add esp,4

00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax

00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]

00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax

這裡，我們為了簡單並沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？哦，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie資訊去進行釋放記憶體的工作。

好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？

　　主要的區別由以下幾點：

1、管理方式不同；

2、空間大小不同；

3、能否產生碎片不同；

4、生長方向不同；

5、分配方式不同；

6、分配效率不同；

管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程式設計師控制，容易產生memory leak。

空間大小：一般來講在32位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：

開啟工程，依次操作選單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆疊的最大值和commit。

注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開闢較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。

碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個 問題，因為棧是先進後出的佇列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出， 詳細的可以參考資料結構，這裡我們就不再一一討論了。

生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體地址減小的方向增長。

分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如區域性變數的分配。動態分配由alloca函式進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

分配效率：棧是機器系統提供的資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：分配專門的暫存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的 效率比較高。堆則是C/C++函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演算法可以參考資料結構/操作系 統）在堆記憶體中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就 有機會分到足夠大小的記憶體，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量 new/delete的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於可能引發 使用者態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函式的呼叫也利用棧去完成，函式呼叫過程中的引數，返回地 址，EBP和區域性變數都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，還是用堆好一些。

無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，產生以想不到的結 果,就算是在你的程式執行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的：）

對了，還有一件事，如果有人把堆疊合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？

　　static用來控制變數的儲存方式和可見性

函式內部定義的變數，在程式執行到它的定義處時，編譯器為它在棧上分配空間，函式在棧上分配的空間在此函式執行結束時會釋放掉，這樣就產生了一個問 題: 如果想將函式中此變數的值儲存至下一次呼叫時，如何實現？ 最容易想到的方法是定義一個全域性的變數，但定義為一個全域性變數有許多缺點，最明顯的缺點是破壞了此變數的訪問範圍（使得在此函式中定義的變數，不僅僅受此 函式控制）。

需要一個數據物件為整個類而非某個物件服務,同時又力求不破壞類的封裝性,即要求此成員隱藏在類的內部，對外不可見。

　　static的內部機制：

靜態資料成員要在程式一開始執行時就必須存在。因為函式在程式執行中被呼叫，所以靜態資料成員不能在任何函式內分配空間和初始化。

這樣，它的空間分配有三個可能的地方，一是作為類的外部介面的標頭檔案，那裡有類宣告；二是類定義的內部實現，那裡有類的成員函式定義；三是應用程式的main（）函式前的全域性資料宣告和定義處。

靜態資料成員要實際地分配空間，故不能在類的宣告中定義（只能宣告資料成員）。類宣告只宣告一個類的“尺寸和規格”，並不進行實際的記憶體分配，所以在類宣告中寫成定義是錯誤的。它也不能在標頭檔案中類宣告的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的原始檔中，對其重複定義。

static被引入以告知編譯器，將變數儲存在程式的靜態儲存區而非棧上空間，靜態資料成員按定義出現的先後順序依次初始化，注意靜態成員巢狀時，要保證所巢狀的成員已經初始化了。消除時的順序是初始化的反順序。

　　static的優勢：

可以節省記憶體，因為它是所有物件所公有的，因此，對多個物件來說，靜態資料成員只儲存一處，供所有物件共用。靜態資料成員的值對每個物件都是一樣，但它的值是可以更新的。只要對靜態資料成員的值更新一次，保證所有物件存取更新後的相同的值，這樣可以提高時間效率。

引用靜態資料成員時，採用如下格式：

<類名>::<靜態成員名>

如果靜態資料成員的訪問許可權允許的話(即public的成員)，可在程式中，按上述格式來引用靜態資料成員。

PS:

(1)類的靜態成員函式是屬於整個類而非類的物件，所以它沒有this指標，這就導致了它僅能訪問類的靜態資料和靜態成員函式。

(2)不能將靜態成員函式定義為虛擬函式。

(3)由於靜態成員聲明於類中，操作於其外，所以對其取地址操作，就多少有些特殊，變數地址是指向其資料型別的指標，函式地址型別是一個“nonmember函式指標”。

(4)由於靜態成員函式沒有this指標，所以就差不多等同於nonmember函式，結果就產生了一個意想不到的好處：成為一個callback函式，使得我們得以將C++和C-based X Window系統結合，同時也成功的應用於執行緒函式身上。

(5)static並沒有增加程式的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態成員的訪問時間，節省了子類的記憶體空間。

(6)靜態資料成員在<定義或說明>時前面加關鍵字static。

(7)靜態資料成員是靜態儲存的，所以必須對它進行初始化。

(8)靜態成員初始化與一般資料成員初始化不同:

初始化在類體外進行，而前面不加static，以免與一般靜態變數或物件相混淆；

初始化時不加該成員的訪問許可權控制符private，public等；

初始化時使用作用域運算子來標明它所屬類；

所以我們得出靜態資料成員初始化的格式：

<資料型別><類名>::<靜態資料成員名>=<值>

(9) 為了防止父類的影響，可以在子類定義一個與父類相同的靜態變數，以遮蔽父類的影響。這裡有一點需要注意：我們說靜態成員為父類和子類共享，但 我們有重複定義了靜態成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器採用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的標誌。

　　C語言變數的儲存類別

記憶體中供使用者使用的儲存空間分為程式碼區與資料區兩個部分。變數儲存在資料區，資料區又可分為靜態儲存區與動態儲存區。

靜態儲存是指在程式執行期間給變數分配固定儲存空間的方式。如全域性變數存放在靜態儲存區中，程式執行時分配空間，程式執行完釋放。

動態儲存是指在程式執行時根據實際需要動態分配儲存空間的方式。如形式引數存放在動態儲存區中，在函式呼叫時分配空間，呼叫完成釋放。

對於靜態儲存方式的變數可在編譯時初始化，預設初值為O或空字元。對動態儲存方式的變數如不賦初值，則它的值是一個不確定的值。

在C語言中，具體的儲存類別有自動(auto)、暫存器(register)、靜態(static)及外部(extern)四種。靜態儲存類別與外部儲存類別變數存放在靜態儲存區，自動儲存類別變數存放在動態儲存區，暫存器儲存類別直接送暫存器。

　　變數儲存類別定義方法：

儲存類別型別變量表；

例如：

(1)a，b，c為整型自動儲存類別變數：

auto int a，b，c；

(2)x，y，z為雙精度型靜態儲存類別變數：

static double x，y，z；

　　1、變數有哪些儲存型別？

變數的儲存型別由“儲存型別指明符”來說明。儲存型別指明符可以是下列類鍵字之一：

auto

register

extern

static

　　下面是詳細的解釋：

auto 儲存類指明符－－用於說明具有區域性作用域的變數，它表示變數具有區域性（自動）生成期，但由於它是所有區域性作用域變數說明的預設儲存類指明符，所以使用得很 少。要注意的是，所有在函式內部定義的變數都是區域性變數，函式內部定義的變數其作用域只在函式內部。它的生存期為該函式執行期間，一旦離開這個函式或這個 函式終止，區域性變數也隨之消失。

register 儲存類指明符－－當聲明瞭這個指明符後，編譯程式將盡可能地為該變數分配CPU內部的暫存器作為變數的儲存單元，以加快執行速度。注意，暫存器與儲存器是 不同的。暫存器一般在CPU內部，而儲存器一般指外部的（比如記憶體條），CPU內部的暫存器其運算速度是很高的。當暫存器已分配完畢，就自動地分配一個外 部的記憶體。它的作用等價於auto，也只能用於區域性變數和函式的參量說明。

static 儲存類指明符－－表示變數具有靜態生成期。static變數的的特點是它離開了其作用域後，其值不會消失。

當回到該作用域之後又可以繼續使用這個static變數的值。

例：利用static變數統計呼叫函式的次數

int two(); /*函式原型說明*/

void main()

{

int a=0;

a=two(); /*a的值等於1*/

a=two() /*a的值等於2*/

a=two(); /*a的值等於3*/

}

int two()

{

static int b=0;　　　　/*定義了一個區域性的static變數*/

b ;

return b;

}

如果不是一個static變數就不會有這個效果了

int two(); /*函式原型說明*/

void main()

{

int a=0;

a=two(); /*a的值等於1*/

a=two() /*a的值等於1*/

a=two(); /*a的值等於1*/

}

int two()

{

int b=0;

b ;

return b;

}

變數a的值總是1，原因是在函式two()中，變數b不是一個static變數，其值隨著離開two函式就消失了，當回到two函式時又被重新賦值0。

extern 儲存類指明符－－一般用在工程檔案中。在一個工程檔案中因為有多個程式檔案，當某一個變數在一個程式檔案中定義了之後，如果在另一個程式檔案中予以定義， 就會出現重複定義變數的錯誤。使用extern儲存型別指明符就可以指出在該檔案外部已經定義了這個變數。extern變數的作用域是整個程式。

2、變數儲存在記憶體的什麼地方？

1）變數可以儲存在記憶體的不同地方，這依賴於它們的`生成期。在函式上部定義的變數（全域性變數或static外部變數）和在函式內部定義的static變 量，其生存期就是程式執行的全過程。這些變數被儲存在資料段(Data　Segment)中。資料段是在記憶體中為這些變數留出的一段大小固定的空間，它分 為二部分，一部分用來初始化變數，另一部分用來存放未初始化的變數。

2）在函式內部定義的auto變數（沒有用關鍵字static定義的變數）的生成期從程式開始執行其所在的程式塊程式碼時開始，到程式離開該程式塊時為止。 作為函式引數的變數只在呼叫該函式期間存在。這些變數被儲存在棧(stack)中。棧是記憶體中的一段空間，開始很小，以後逐漸自動變大，直到達到某個預定 義的界限。

3）當用malloc等函式給指標分配一個地址空間的時候，這個分配的記憶體塊位於一段名為“堆（heap）”的記憶體空間中。堆開始時很小，但呼叫 malloc或clloc等記憶體分配函式時它就會增大。堆可以和資料段或棧共用一個記憶體段，也可以有它自己的記憶體段，這完全取決於編譯選項和作業系統。與 棧相似，堆也有一個增長界限，並且決定這個界限的規則與棧相同。

　　C語言變數的作用域和儲存型別

　　一、作用域和生存期

C程式的識別符號作用域有三種：區域性、全域性、檔案。識別符號的作用域決定了程式中的哪些語句可以使用它，換句話說，就是識別符號在程式其他部分的可見性。通常，識別符號的作用域都是通過它在程式中的位置隱式說明的。

　　1.區域性作用域

前面各個例子中的變數都是區域性作用域，他們都是宣告在函式內部，無法被其他函式的程式碼所訪問。函式的形式引數的作用域也是區域性的，它們的作用範圍僅限於函式內部所用的語句塊。

void add(int);

main()

{

int num=5;

add(num);

printf("%dn",num); /*輸出5*/

}

void add(int num)

{

num++;

printf("%dn",num); /*輸出6*/

}

上面例子裡的兩個num變數都是區域性變數，只在本身函式裡可見。前面我們說了，在兩個函數出現同名的變數不會互相干擾，就是這個道理。所以上面的兩個輸出，在主函式裡仍然是5，在add()函式裡輸出是6。