【C/C++】變數的記憶體分配
一個由C/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分：
1、棧區（stack）—— 程式執行時由編譯器自動分配，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。程式結束時由編譯器自動釋放。
2、堆區（heap）—— 在記憶體開闢另一塊儲存區域。一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列。
3、全域性區（靜態區）（static）—— 編譯器編譯時即分配記憶體。全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域， 未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。 程式結束後由系統釋放。
4、文字常量區 —— 常量字串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放。
5、程式程式碼區—— 存放函式體的二進位制程式碼。
記憶體分配方式有三種：
[1]從靜態儲存區域分配。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個執行期間都存在。例如全域性變數，static變數。
[2]在棧上建立。在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。
[3]從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在執行的時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式設計師自己負責在何時用free或delete釋放 記憶體。動態記憶體的生存期由程式設計師決定，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責任回收它，否則執行的程式會出現記憶體洩漏，頻繁地分配和釋放不同大小 的堆空間將會產生堆內碎塊。
int a = 0; //全域性初始化區 char *p1; //全域性未初始化區 main() { int b; // 棧 char s[] = "abc"; //棧 char *p2; //棧 char *p3 = "123456"; //"123456\0"在常量區，p3在棧上。 static int c =0； //全域性（靜態）初始化區 p1 = (char *)malloc(10); p2 = (char *)malloc(20); //分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。 strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。 }
看幾個例子：
現在有以下兩個函式，則呼叫test()的結果是：
(1)
char* getMem(void)
{
char p[] = “hello world ”;
p[5] = 0x0;
return p;
}
void test(void)
{
char *s = 0x0;
s = getMem();
printf("%s\n",s);
}結果不能確定。warning: function returns address of local variable
p是個陣列，在getMem()裡面定義是個區域性變數，說明這個函式執行完畢之後區域性變數銷燬p這個陣列中的值都沒有了。
p雖然是個陣列，但是單獨用p這個變數，值是p這塊陣列的首地址，因為返回的是值傳遞，所以這個首地址被傳到了下面的s中，
s指向這個記憶體，而這個記憶體在getMem函式呼叫結束後就銷燬了，裡面存放的不知道是什麼了。所以列印的話不一定出現什麼。
(2)
char* getMem(void)
{
char *p = "hello world";
return p;
}
void main()
{
char *s = 0x0;
s = getMem();
printf("%s\n",s);
}結果正常輸出：hello world
應該注意char p[]="hello world";和char *p="hello world"的區別；前者存放在棧裡，後者存放在文字常量區。
常量區這個地方存放的內容並不會在函式結束後銷燬，p最後依然指向這裡。
(3)
char* getMem(void)
{
char *p = "hello world";
p[5] = 0x0;
return p;
}
void main()
{
char *s = 0x0;
s = getMem();
printf("%s\n",s);
}錯誤。p[5]錯誤，常量區的資料不可以更改。
(4)
string getMem(void)
{
string s = “hello world ”;
string &rs = s;
return rs;
} string ss = getMem();//正確 值傳遞ss已經是一個新的區域性變數，完全拷貝了getMem返回的臨時量。
string &rs = getMem();//錯誤 getMem函式返回的是臨時變數，也就是右值，不能用左值引用來引用
const string &crs = getMem();//正確，右值可以用const引用來引用
(5)
string& getMem(void)
{
string s = “hello world ”;
string &rs = s;
return rs;
} string ss = getMem();//錯誤,s是區域性變數，返回值是個引用，本質是在臨時區建立了一個引用，這個臨時的引用引用了rs 也就是s，但是函式結束了，這個區域性的s小時了，消失之後返回的引用還引用他，不但引用，還用它來初始話ss，那就錯了。
string &rs = getMem();//錯誤 相當於rs是個函式內部區域性變數s的引用，s已經清空，所以輸出rs 是亂碼。
(6)
string getMem(string &s)
{
string &rs = s;
return rs;
} string s = "helloworld";
string ss = getMem(s);//正確值傳遞，用返回值來初始化了ss
string &rs = getMem(s);//錯誤，同上，右值不能用左值引用來引用。
const string &rs = getMem(s);//正確，右值用常引用來引用。
(7)
string& getMem(string &s)
{
string &rs = s;
return rs;
}string s = "helloworld";
string ss = getMem(s); 正確 相當於用 外面的s 來初始化ss 可以。
string &rs = getMem(s);正確 rs指向的是s s的作用域還沒有結束。
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堆與棧的比較
1.申請方式
stack: 由系統自動分配。 例如，宣告在函式中一個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間。
heap: 需要程式設計師自己申請，並指明大小，在C中malloc函式，C++中是new運算子。
如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
2.申請後系統的響應
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢位。
堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列，當系統收到程式的申請時，會遍歷該連結串列，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點連結串列中刪除，並將該結點的空間分配給程式。
對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，程式碼中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。
由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中。
3.申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴充套件的資料結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴充套件的資料結構，是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用連結串列來儲存的空閒記憶體地址的，自然是不連續的，而連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。
4.申請效率的比較
棧由系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。
堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便。
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體，他不是在堆，也不是棧，而是直接在程序的地址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。
5.堆和棧中的儲存內容
棧：在函式呼叫時，第一個進棧的是主函式中函式呼叫語句的下一條可執行語句的地址，然後是函式的各個引數，在大多數的C編譯器中，引數是由右往左入棧的，然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。
當本次函式呼叫結束後，區域性變數先出棧，然後是引數，最後棧頂指標指向最開始存的地址，也就是主函式中的下一條指令，程式由該點繼續執行。
堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。
6.存取效率的比較
char s1[] = "a";
char *s2 = "b";
a是在執行時刻賦值的；而b是在編譯時就確定的；但是，在以後的存取中，在棧上的陣列比指標所指向的字串(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;
}
對應的彙編程式碼
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
第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，再根據edx讀取字元，顯然慢了。
7.小結
堆和棧的主要區別由以下幾點：
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。當然，這個值可以修改。
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。
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malloca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/作業系統）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。
new/delete與malloc/free比較
從C++角度上說，使用new分配堆空間可以呼叫類的建構函式，而malloc()函式僅僅是一個函式呼叫，它不會呼叫建構函式，它所接受的引數是一個unsigned long型別。同樣，delete在釋放堆空間之前會呼叫解構函式，而free函式則不會。