内存四区模型浅析——C语言

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　　在C语言中，我们将程序在运行时所占用的内存资源分为四个区域(堆区、栈区、全局区、代码区)，今天在温习C语言时查漏补缺，做一下记录。
　　需要注意，文中所谈及的堆栈等指的是内存中的堆区与栈区，与数据结构中所谈的堆栈(数据结构中”堆栈”即”栈”)没有必然的联系，是两个完全不同的概念。前者指明数据存储在哪种内存区之上，后者是组织数据的一种手段。

内存分配

堆区

　 堆区(heap) 主要用于动态内存分配，如 malloc,new(这里有错误，在文后补充了，感谢@下里巴人 指出来)，申请时需要指定大小。堆上动态分配的内存在使用完毕后，需要通过程序主动释放内存(如 free 或 delete)，否则程序将在最后才释放掉动态内存，易出现内存泄漏。一般来说，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，并立即将指针置位 NULL，防止产生野指针。@Captain–Jack

栈区

　　栈区(stack) 主要用于存储函数内部局部变量(如 char a;)，与堆不同，栈上空间的开辟与释放一般由操作系统自己控制。

全局区

　　全局区(global) 也称作静态区，主要用于存储常量和全局变量，细分有一个常量区, 字符串常量和其他常量。该区域在程序运行完毕后由操作系统进行释放。　　

代码区

　　代码区(code) 存放函数体的二进制代码，也是由操作系统进行管理。这里不深入探讨，了解有这个区即可。

示例代码

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

//栈区
int stackArea()
{
	printf("-----------------------栈区---------------------------\n");
	int a = 10;
	printf("子函数中a的地址 %d\n", &a);
	return a;
}

//堆区
int* heapArea()
{
	printf("-----------------------堆区-----------------------------\n");
	int *chs = NULL;

	chs = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	for (int i = 0; i<10; i++)
	{
		*(chs + i) = i;
	}
	printf("子函数中chs的地址是: %d\n", chs);
	return chs;
}

//全局区
char* globalArea()
{
	printf("----------------------全局区---------------------------\n");
	char *str = "abcde";
	printf("子函数中str的地址是: %d\n", str);
	return str;
}

int main()
{

	int a_main = stackArea();
	printf("main函数中 a_main的地址是:  %d\n", &a_main);

	int* chs_main = heapArea();
	printf("main函数中 chs_main的地址是: %d\n", chs_main);
	free(chs_main);

	char* str_main = globalArea();
	printf("main函数中 str_main的地址是: %d\n", str_main);

	system("pause");
	return 0;
}

运行所得结果为:

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-----------------------栈区---------------------------
子函数中a的地址 15726708
main函数中 a_main的地址是:  15726960
-----------------------堆区-----------------------------
子函数中chs的地址是: 17560528
main函数中 chs_main的地址是: 17560528
----------------------全局区---------------------------
子函数中str的地址是: 8616960
main函数中 str_main的地址是: 8616960
请按任意键继续. . .

结果分析

  • stackArea() 函数内 a 的地址为 15726708 ，在 main 中调用该函数得到的 a_main 的地址为 7339248，这是因为栈区变量的生命周期短，短到当 main 调用 stackArea() 结束后，15726708 地址便立即被释放，在main函数中，重新分配地址来储存 a_main。
  • heapArea() 函数内 chs 的地址为动态分配的地址 17560528，堆区变量生命周期长，需要主动释放或者程序运行完毕后才释放。 因此，在 main 函数调用 heapArea() 结束后，chs 地址空间不变，直到 free(chs_main) 才释放。
  • globalArea() 函数内 str 的地址为 8616960，因其为字符串，储存于全局区，所以地址不变，生命周期为整个程序的运行期间。当程序退出后由操作系统进行释放处理。

堆栈区别

　　转载于@Captain–Jack
堆和栈的主要区别由以下几点：
　　1、管理方式不同；
　　2、空间大小不同；
　　3、能否产生碎片不同；
　　4、生长方向不同；
　　5、分配方式不同；
　　6、分配效率不同；

管理方式

　　对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

空间大小

　　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。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，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。

碎片问题

　　对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。

生长方向

栈：

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{	
	int a;
	int b;
	printf("&a = %d\n&b = %d\n", &a, &b);
	
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果：

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&a = 7339584
&b = 7339572
请按任意键继续. . .

可以看出栈的生长方向是向下的，向着内存地址减小的方向增长。

再看 堆:

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{	
	int buf[10];
	printf("buf = %d\nbuf + 1 = %d\n", buf, buf + 1);
	
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果:

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buf = 7338088
buf + 1 = 7338092
请按任意键继续. . .

可以看出堆的生长方向是向上的，向着内存地址增加的方向增长。

分配方式

　　堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由 alloca 函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，它的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
#### 分配效率
　　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。堆则是 C/C++ 函数库提供的，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。显然，堆的效率比栈要低得多。

　　从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于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。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP 和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。 虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。 　　
　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生意想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的）　　

补充

C++ 自由存储区是否等价于堆？
new 是 C++ 中的函数，在 C 语言中 我们必须使用 malloc 函数,因为 C 语言没有 new 这个操作符,但是如果编译器是 C++ 的话,可以使用 new . 其次，new 所分配的内存并非在堆区(heap) ，而是在 C++ 概念中的自由存储区。