C/C++的堆栈，内存分配

一、一个经过编译的C/C++的程序占用的内存分成以下几个部分：
1、栈区（stack）：

由编译器自动分配和释放 ，存放函数的参数值、局部变量的值等，甚至函数的调用过程都是用栈来完成。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap） ：

一般由程序员手动申请以及释放， 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空间。

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空间。

5、程序代码区：

存放函数体的二进制代码。

二、内存段式管理：代码段、数据段、堆栈段

目前通用系统（Linux或者Window）多采用段页式内存管理方式，即段式管理与页式管理的组合。每个程序的内存空间分为若干段，进行内存的分配与释放管理；每个段又分为若干页，进行虚拟页与实际页面的映射。段式管理程序以段为单位分配内存，依赖地址映射机制完成段式虚拟地址与实际内存地址的转换。段式管理（程序分段思想）在无OS的嵌入式开发和微系统开发中具有广泛的应用。

程序内存一般分为代码段、数据段和堆栈段。

代码段（code/text segment）：用来存放执行代码的一块内存区域。该区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域属于只读。其中可能包含一些只读的常数变量（如字符串常量）。

数据段（data segment）：用来存放数据的一块内存区域，分成初始化为非零的数据区、BSS和堆（Heap）三个区域。初始化非零数据区域一般存放静态非零数据和全局的非零数据，属于静态内存分配；BSS（Block Started by Symbol）区域一般存放未初始化的全局数据和静态数据，属于静态内存分配；堆区域一般存放运行时动态分配的内存空间，其大小不固定，可动态扩张或缩减。当调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存被动态添加到堆上；当调用free等函数释放内存时，被释放内存从堆中被剔除。

堆栈段（stack segment）：亦称栈，用于存放程序临时创建的局部变量和函数参数，属于动态内存分配。

代码段和数据段之间有明确的分隔，但是数据段和堆栈段之间没有，而且栈是向下增长，堆是向上增长的，因此理论上堆和栈会“增长到一起”，操作系统的内存管理功能需要防止这样的错误发生。

下面的例子可以完全展示不同的变量所占的内存区域：

//main.cpp
int a = 0; 全局初始化区
char *p1; 全局未初始化区
main()
{
int b; //栈中
char s[] = "abc"; //栈中
char *p2; //栈中
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
//以下分配得到的10和20字节的区域就在堆区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = new char[20];//(char *)malloc(20);
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。
}

三、栈（stack）和堆（heap）具体的区别
1、在申请方式上
栈（stack）: 现在很多人都称之为堆栈，这个时候实际上还是指的栈。它由编译器自动管理，无需我们手工控制。 例如，声明函数中的一个局部变量 int b 系统自动在栈中为b开辟空间；在调用一个函数时，系统自动的给函数的形参变量在栈中开辟空间。
堆（heap）: 申请和释放由程序员控制，并指明大小。容易产生memory leak。
在C中使用malloc函数。
如：p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符。
如：p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
但是注意p1本身在全局区，而p2本身是在栈中的，只是它们指向的空间是在堆中。

2、申请后系统的响应上
栈（stack）: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（heap）: 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或 free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。

3、申请大小的限制
栈（stack）: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。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。

堆（heap）: 堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域（空闲部分用链表串联起来）。正是由于系统是用链表来存储空闲内存，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。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。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

4、分配空间的效率上
栈（stack）: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。但程序员无法对其进行控制。
堆（heap）:是C/C++函数库提供的，由new或malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片。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。这样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。显然，堆的效率比栈要低得多。

5、堆和栈中的存储内容
栈（stack）:在函数调用时，第一个进栈的是主函数中子函数调用后的下一条指令（子函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是子函数的各个形参。在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是子函数中的局部变量。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，也就是主函数中子函数调用完成的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆（heap）: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。

6、存取效率的比较
这个应该是显而易见的。拿栈上的数组和堆上的数组来说：

void main()
{
int arr[5]={1,2,3,4,5};
int *arr1;
arr1=new int[5];
for (int j=0;j<=4;j++)
{
arr1[j]=j+6;
}
int a=arr[1];
int b=arr1[1];
}
上面代码中，arr1（局部变量）是在栈中，但是指向的空间确在堆上，两者的存取效率，当然是arr高。因为arr[1]可以直接访问，但是访问arr1[1]，首先要访问数组的起始地址arr1，然后才能访问到arr1[1]。

总而言之，言而总之：
堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（声明变量）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。


文章出处：http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppsl/20081120/152130.html

补充：

1.new、delete、malloc、free关系
delete会调用对象的析构函数,和new对应free只会释放内存，new调用构造函数。malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete不是库函数。

2.delete与 delete []区别
delete只会调用一次析构函数，而delete[]会调用每一个成员的析构函数。在More Effective C++中有更为详细的解释：“当delete操作符用于数组时，它为每个数组元素调用析构函数，然后调用operatordelete来释放内存。”delete与New配套，delete []与new []配套
MemTest*mTest1=newMemTest[10];
MemTest*mTest2=newMemTest;
int*pInt1=newint[10];
int*pInt2=newint;
delete[]pInt1; //-1-
delete[]pInt2; //-2-
delete[]mTest1;//-3-
delete[]mTest2;//-4-
在-4-处报错。

这就说明：对于内建简单数据类型，delete和delete[]功能是相同的。对于自定义的复杂数据类型，delete和delete[]不能互用。 delete[]删除一个数组，delete删除一个指针简单来说，用new分配的内存用delete删除用new[]分配的内存用delete[]删除 delete[]会调用数组元素的析构函数。内部数据类型没有析构函数，所以问题不大。如果你在用delete时没用括号，delete就会认为指向的是单个对象，否则，它就会认为指向的是一个数组。

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常见的内存分配和使用错误:
1) 内存的申请和分配并没有成功，但程序员却使用了它。
判断指针的值是否为NULL可以有效地避免这种错误。

2) 内存的分配已经成功，但是却没有进行初始化就直接使用它了。
主观地认为自己申请的内存的缺省值为0，这样想是没有什么道理的，内存分配后的值是不确定的。

3) 申请了内存，使用完了却忘记了释放，导致内存泄露。它会慢慢地吞噬你的系统资源，直到你的程序彻底完蛋。

4) 你很小心地释放了内存，但是却又使用了它。由于程序很复杂或者调用顺序出错，这样可能导致出现上面的错误。


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C#的值类型内存分配总是和上下文有关,而不总是在堆栈上

总是很常见到一些说法是值类型总是分配在堆栈上,引用类型总是分配在堆上(google搜索大约10万条记录- -)

最近仔细思考了一下发现有点问题....当然我个人水平有限, 有什么差错还请大家指正

个人总结的c#值类型和应用类型的分配应该是:

　　应用类型肯定在托管堆上,值类型总是和上下文有关

1.类的实例成员, 类是引用类型,总是分配在堆上,那么a的内存就在ClassA的实例的内存里,也必然在堆上

class ClassA
{
int a;
}

2.类的静态成员,静态成员a总是在Typeof(ClassA)的内存里,那么也必然在堆上

PS:每个类必然有一个定义类方法,类静态成员等的Type对象,一个类可能可能有无数个实例,当永远只有一个Type定义,这也就是为什么静态构造函数也叫类型构造函数,并且永远只执行一次的原因

class ClassA
{
static int a;
}

3.结构体的静态和实例值类型成员和结构体所在的上下文有关

4.参数 Parameter,参数变量的内存总是位于执行堆栈上

void Test(int i)
{
Console.WriteLine(i);
}

5.本地变量(非闭包),参数变量的内存总是位于执行堆栈上

void Test()
{
int i = 100;
Console.WriteLine(i);
}

6.本地变量(闭包),dotnet会将lambda表达式和匿名委托编译为一个类,由于这个类中使用到了i1,本地变量i1将被编译到这个类里面,类的实例成员自然是在堆上啦

static void Main(string[] args)
{
int i1 = 1;
Func<int> f = () => { return i1; };
}

这里的堆栈:指的是执行堆栈

这里的堆:托管堆