堆、棧及靜態數據區詳解 轉

內存分為代碼區、全局數據區、堆區和棧區。堆一般存放動態數據，棧里一般存放局部成員。

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關于堆棧和堆的概念
[問題]

C++中創建本地（或者說局域）變量是在堆棧（stack）中分配內存地址，而創建全局變量則是在堆（heap）中分配內存地址。

我想知道什么是堆（heap）？為什么全局變量和本地變量在分配內存地址時要分別對待，堆和堆棧哪一個更有效率？

[回答]

在Window中執行的每一個應用程序都有其自己的內存地址。一部分內存空間用于存放程序代碼，一部分內存空間用于存放程序執行期間創建的變量。創將變量的方法有兩種，一種是在堆中，另外一種則在堆棧里。

理解堆的最好的方法是將它看成一個程序隨時可以使用的內存塊。為了創建堆變量，程序要使用“new”（在C++里）操作符或者“malloc”（在C中）例程，它們返回指向變量的指針（堆變量總是通過指針來處理和操作）。最后程序用“delete”（在C++里）操作符或者“free”（在C中）例程來刪除或者釋放內存空間。

而堆棧則不同，它是某個函數被調用后隨時可以創建的一小塊內存，被用于在函數范圍內保存變量（也稱為自動變量）。在函數中，任何包含在{}內的代碼都有其自己的堆棧。當這個函數或者{}退出時，堆棧以及它包含的所有內容都被摧毀。因此下面的代碼是不運行的：

void Myfunction()
{
int i = 5;

{
int j = 6;
}

int k = i + j;
}

所以本文問題的答案是：使用堆棧（stack）分配本地或者局域變量的地址空間，而用堆（heap）分配大塊內存地址或者動態創建對象的情形。

例如：

void MyFunction()
{
int i = 5; // 堆棧中的本地(自動)變量
int *iArray; // 堆棧中的本地(自動)變量

iArray = new int[10000]; // 這一行代碼將在堆中創建10000個元素的數組，由iArray指向其地址

for (int k = 0; k < 10000 ; k++)
{
iArray[k] = k + i;
cout << iArray[k] << "/n";
}

delete iArray; // 從堆中刪除或釋放數組占用的地址空間，否則將會有內存泄漏

} //函數結束
注意：iArray 不是一個堆變量。它是一個局部指針變量，指向堆中未命名的一個數組。

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一般認為在C中分為這幾個存儲區

1、棧——由編譯器自動分配釋放

2、堆——一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收

3、全局區（靜態區），全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域，未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。

4、另外還有一個專門放常量的地方。——程序結束釋放

在函數體中定義的變量通常是在棧上，用malloc，calloc，realloc等分配內存的函數分配得到的就是在堆上。在所有函數體外定義的是全局量，加了static修飾符后不管在哪里都存放在全局區（靜態區），在所有函數體外定義的static變量表示在該文件中有效，不能extern到別的文件用，在函數體內定義的static表示只在該函數體內有效。另外，函數中的"adgfdf"這樣的字符串存放在常量區。

比如：

代碼：

int a = 0; //全局初始化區

char *p1; //全局未初始化區

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； //全局（靜態）初始化區

p1 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20);

//分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
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"優化成一塊。

}

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還有就是函數調用時會在棧上有一系列的保留現場及傳遞參數的操作。

棧的空間大小有限定，VC的缺省是2M。棧不夠用的情況一般是程序中分配了大量數組和遞歸函數層次太深。有一點必須知道，當一個函數調用完返回后它會釋放該函數中所有的棧空間。棧是由編譯器自動管理的，不用你操心。

堆是動態分配內存的，并且你可以分配使用很大的內存。但是用不好會產生內存泄漏。

并且頻繁地malloc和free會產生內存碎片（有點類似磁盤碎片），因為C分配動態內存時是尋找匹配的內存的。而用棧則不會產生碎片。

在棧上存取數據比通過指針在堆上存取數據快些。

一般大家說的堆棧和棧是一樣的，就是棧(stack)，而說堆時才是堆heap

棧是先入后出的，一般是由高地址向低地址生長。

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轉載的另外一篇：

堆(heap)和棧(stack)是C/C++編程不可避免會碰到的兩個基本概念。首先，這兩個概念都可以在講數據結構的書中找到，他們都是基本的數據結構，雖然棧更為簡單一些。

在具體的C/C++編程框架中，這兩個概念并不是并行的。對底層機器代碼的研究可以揭示，棧是機器系統提供的數據結構，而堆則是C/C++函數庫提供的。

具體地說，現代計算機（串行執行機制），都直接在代碼底層支持棧的數據結構。這體現在，有專門的寄存器指向棧所在的地址，有專門的機器指令完成數據入棧出棧的操作。

這種機制的特點是效率高，支持的數據有限，一般是整數，指針，浮點數等系統直接支持的數據類型，并不直接支持其他的數據結構。因為棧的這種特點，對棧的使用在程序中是非常頻繁的。對子程序的調用就是直接利用棧完成的。機器的call指令里隱含了把返回地址推入棧，然后跳轉至子程序地址的操作，而子程序中的ret指令則隱含從堆棧中彈出返回地址并跳轉之的操作。C/C++中的自動變量是直接利用棧的例子，這也就是為什么當函數返回時，該函數的自動變量自動失效的原因。

和棧不同，堆的數據結構并不是由系統（無論是機器系統還是操作系統）支持的，而是由函數庫提供的。基本的malloc/realloc/free函數維護了一套內部的堆數據結構。當程序使用這些函數去獲得新的內存空間時，這套函數首先試圖從內部堆中尋找可用的內存空間，如果沒有可以使用的內存空間，則試圖利用系統調用來動態增加程序數據段的內存大小，新分配得到的空間首先被組織進內部堆中去，然后再以適當的形式返回給調用者。當程序釋放分配的內存空間時，這片內存空間被返回內部堆結構中，可能會被適當的處理（比如和其他空閑空間合并成更大的空閑空間），以更適合下一次內存分配申請。這套復雜的分配機制實際上相當于一個內存分配的緩沖池（Cache），使用這套機制有如下若干原因：

1、系統調用可能不支持任意大小的內存分配。有些系統的系統調用只支持固定大小及其倍數的內存請求（按頁分配）；這樣的話對于大量的小內存分類來說會造成浪費。

2、系統調用申請內存可能是代價昂貴的。系統調用可能涉及用戶態和核心態的轉換。

3、沒有管理的內存分配在大量復雜內存的分配釋放操作下很容易造成內存碎片。

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堆和棧的對比：

從以上知識可知，棧是系統提供的功能，特點是快速高效，缺點是有限制，數據不靈活；而堆是函數庫提供的功能，特點是靈活方便，數據適應面廣泛，但是效率有一定降低。棧是系統數據結構，對于進程/線程是唯一的；堆是函數庫內部數據結構，不一定唯一。不同堆分配的內存無法互相操作。棧空間分靜態分配和動態分配兩種。靜態分配是編譯器完成的，比如自動變量（auto）的分配。動態分配由alloca函數完成。棧的動態分配無需釋放（是自動的），也就沒有釋放函數。為可移植的程序起見，棧的動態分配操作是不被鼓勵的！堆空間的分配總是動態的，雖然程序結束時所有的數據空間都會被釋放回系統，但是精確的申請內存/釋放內存匹配是良好程序的基本要素。

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五大內存分區

在C++中，內存分成5個區，他們分別是堆、棧、自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區。

棧：就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清除的變量的存儲區。里面的變量通常是局部變量、函數參數等。

堆：就是那些由new分配的內存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程序去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程序員沒有釋放掉，那么在程序結束后，操作系統會自動回收。

自由存儲區：就是那些由malloc等分配的內存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。

全局/靜態存儲區：全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，在以前的C語言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C++里面沒有這個區分了，他們共同占用同一塊內存區。

常量存儲區：這是一塊比較特殊的存儲區，他們里面存放的是常量，不允許修改（當然，你要通過非正當手段也可以修改，而且方法很多）

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明確區分堆與棧
在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿它第一個開刀。

首先，我們舉一個例子：

void f() { int* p=new int[5];}

這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆內存，那么指針p呢？他分配的是一塊棧內存，所以這句話的意思就是：在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。在程序會先確定在堆中分配內存的大小，然后調用operator new分配內存，然后返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在VC6下的匯編代碼如下：
00401028 push 14h
0040102A call operator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax
這里，我們為了簡單并沒有釋放內存，那么該怎么去釋放呢？是delete p么？哦，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie信息去進行釋放內存的工作。
好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什么區別？
主要的區別由以下幾點：
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：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。
空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：

打開工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然后在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。
注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬內存的頁文件里面，它設置的較大會使棧開辟較大的值，可能增加內存的開銷和啟動時間。
碎片問題：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進后出的隊列，他們是如此地一一對應，以至于永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構，這里我們就不再一一討論了。

生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內存地址增加的方向；對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內存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，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，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數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，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++函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然后進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片；由于沒有專門的系統支持，效率很低；由于可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址，EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時候分配大量的內存空間，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），因為越界的結果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程序運行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什么時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的：）

對了，還有一件事，如果有人把堆棧合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？

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static用來控制變量的存儲方式和可見性

函數內部定義的變量，在程序執行到它的定義處時，編譯器為它在棧上分配空間，函數在棧上分配的空間在此函數執行結束時會釋放掉，這樣就產生了一個問題：如果想將函數中此變量的值保存至下一次調用時，如何實現？

最容易想到的方法是定義一個全局的變量，但定義為一個全局變量有許多缺點，最明顯的缺點是破壞了此變量的訪問范圍（使得在此函數中定義的變量，不僅僅受此函數控制）。

需要一個數據對象為整個類而非某個對象服務，同時又力求不破壞類的封裝性，即要求此成員隱藏在類的內部，對外不可見。

static的內部機制：

靜態數據成員要在程序一開始運行時就必須存在。因為函數在程序運行中被調用，所以靜態數據成員不能在任何函數內分配空間和初始化。

這樣，它的空間分配有三個可能的地方，一是作為類的外部接口的頭文件，那里有類聲明；二是類定義的內部實現，那里有類的成員函數定義；三是應用程序的main（）函數前的全局數據聲明和定義處。

靜態數據成員要實際地分配空間，故不能在類的聲明中定義（只能聲明數據成員）。類聲明只聲明一個類的“尺寸和規格”，并不進行實際的內存分配，所以在類聲明中寫成定義是錯誤的。它也不能在頭文件中類聲明的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的源文件中，對其重復定義。

static被引入以告知編譯器，將變量存儲在程序的靜態存儲區而非棧上空間，靜態數據成員按定義出現的先后順序依次初始化，注意靜態成員嵌套時，要保證所嵌套的成員已經初始化了。消除時的順序是初始化的反順序。

static的優勢：

可以節省內存，因為它是所有對象所公有的，因此，對多個對象來說，靜態數據成員只存儲一處，供所有對象共用。靜態數據成員的值對每個對象都是一樣，但它的值是可以更新的。只要對靜態數據成員的值更新一次，保證所有對象存取更新后的相同的值，這樣可以提高時間效率。

引用靜態數據成員時，采用如下格式：
<類名>::<靜態成員名>
如果靜態數據成員的訪問權限允許的話（即public的成員），可在程序中，按上述格式來引用靜態數據成員。

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PS：
（1）類的靜態成員函數是屬于整個類而非類的對象，所以它沒有this指針，這就導致了它僅能訪問類的靜態數據和靜態成員函數。
（2）不能將靜態成員函數定義為虛函數。
（3）由于靜態成員聲明于類中，操作于其外，所以對其取地址操作，就多少有些特殊，變量地址是指向其數據類型的指針，函數地址類型是一個“nonmember函數指針”。

（4）由于靜態成員函數沒有this指針，所以就差不多等同于nonmember函數，結果就產生了一個意想不到的好處：成為一個callback函數，使得我們得以將C++和C-based X Window系統結合，同時也成功的應用于線程函數身上。
（5）static并沒有增加程序的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜態成員的訪問時間，節省了子類的內存空間。
（6）靜態數據成員在<定義或說明>時前面加關鍵字static。
（7）靜態數據成員是靜態存儲的，所以必須對它進行初始化。
（8）靜態成員初始化與一般數據成員初始化不同：初始化在類體外進行，而前面不加static，以免與一般靜態變量或對象相混淆；初始化時不加該成員的訪問權限控制符private，public等；初始化時使用作用域運算符來標明它所屬類；所以我們得出靜態數據成員初始化的格式：
<數據類型><類名>::<靜態數據成員名>=<值>
（9）為了防止父類的影響，可以在子類定義一個與父類相同的靜態變量，以屏蔽父類的影響。這里有一點需要注意：我們說靜態成員為父類和子類共享，但我們又重復定義了靜態成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器采用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的標志。