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C語言的變數的記憶體分配

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轉自:http://blog.csdn.net/chenyiming_1990/article/details/9476181

今晚看了人家寫的一個關於C語言記憶體分配的帖子,發現真是自己想找的,於是乎就收藏了。。。
先看一下兩段程式碼:

[cpp] view plain copy  print?
  1. char* toStr()   
  2. {  
  3.     char *s = "abcdefghijkl";  
  4.     return s;  
  5. }  
  6. int main()  
  7. {  
  8.     cout << toStr() << endl;  
  9.     return 0;  
  10. }  

[cpp] view plain copy  print?
  1. char* toStr()   
  2. {  
  3.     char s[] = "abcdefghijkl";  
  4.     return s;  
  5. }  
  6. int main()  
  7. {  
  8.     cout << toStr() << endl;  
  9.     return 0;  
  10. }  


前一段程式碼打印出來是字串,而後一段程式碼打印出來就是亂碼。記得學C語言的時候講到,字串是被當做字元陣列來處理的。所以字元陣列名就相當於指向首地址的指標。那麼
1. char *s = "abcdefghijkl";
2. char s[] = "abcdefghijkl";
這兩種表示式似乎是一樣的,可是為什麼程式結果會不一樣呢?原因就是沒有對記憶體分配了解好。當然現在的C語言教材不會講到的。
解釋:
程式的意思比較簡單,不用解釋。
第一種表示式,指標s是區域性變數,他的作用域是函式toStr內。它將其指向的地址返回,返回之後s即被銷燬,慶幸s指向的地址被返回了回來。最終列印正確。
第二種表示式,那麼我們會問第二種與第一種的區別在哪,為何錯?原因就是第一種指標s雖然是區域性變數,被分配在棧空間,作用域是函式內部,但其指向的內容"abcdefghijkl"是常量,被分配在程式的常量區。直到整個程式結束才被銷燬。而第二種,s是一陣列,分配到棧空間,"abcdefghijkl"作為陣列各個元素被放到陣列中,一旦函式退出,棧中這塊記憶體就被釋放。雖然返回一個地址,可是已經失去它的意義了。

通過以上例子,我們來學習學習記憶體分配的問題吧。

首先,需要搞清楚:變數的型別和它的儲存類別是兩個概念。
資料型別和記憶體管理沒有直接的關係。

一、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)—由編譯器自動分配釋放,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。
2、堆區(heap)—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,呵呵。
3、全域性區(靜態區)(static),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。

二、例子程式
這是一個前輩寫的,非常詳細

[cpp] view plain copy  print?
  1. //main.cpp  
  2. int a = 0; //全域性初始化區
  3. char *p1; //全域性未初始化區
  4. main()  
  5. {  
  6.     int b; //棧
  7.     char s[] = "abc"//棧
  8.     char *p2; //棧
  9.     char *p3 = "123456"//123456\\0在常量區,p3在棧上。
  10.     staticint c =0;//全域性(靜態)初始化區
  11.     p1 = (char *)malloc(10);      
  12.     p2 = (char *)malloc(20);//分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。
  13.     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。      
  14. }   


這下就對程式的記憶體分配理解更深入了吧。

其實包括其他程式語言,Java等,他們都有所謂的棧空間和堆空間以及常量區,我們經常寫完程式之後發現莫名的錯誤,或者記憶體被慢慢吞噬,這都是這方面的原因。

以下是堆和棧的理論知識  2.1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  如p1 = (char *)malloc(10);  在C++中用new運算子  如p2 = (char *)malloc(10);  但是注意p1、p2本身是在棧中的。  2.2 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,另外,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。另外,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。  2.3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。  所以在程式中自動變數陣列(函式內部)不能很大,因為棧(這就是我們通常說的程式的堆疊段,大陣列發生段溢位)的大小有限,而可以申請為全域性變數,因為那是分配在靜態區,大小不受限制。 2.4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,也不是在棧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  2.5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後的下一條指令(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。  2.6存取效率的比較 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";  aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的;  而bbbbbbbbbbb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:  #include <stdio.h>  void main()  char a = 1;  char c[] = "1234567890";  char *p ="1234567890";  a = c[1];  a = p[1];  return;  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,在根據edx讀取字元,顯然慢了。