• C语言的变量的内存分配


    今晚看了人家写的一个关于C语言内存分配的帖子,发现真是自己想找的,于是乎就收藏了。。。
    先看一下两段代码:

    char* toStr() 
    {
    	char *s = "abcdefghijkl";
    	return s;
    }
    int main()
    {
    	cout << toStr() << endl;
    	return 0;
    }

    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。 
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