C++的内存地址分配和内存区划分详解

内存类型简介

内核：在一些系统中，当系统调用发生时，操作系统或者操作系统内核会编程应用程序内存的一部分。

栈：栈中包含活动记录，其中包含当前活动函数调用的返回地址和局部变量等信息。

共享库：为了动态链接共享库文件而创建的一个内存片段

堆内存：被用作堆内存来使用和分配的一块内存空间。如果运行时需要一些可变大小的小内存块，那么这些内存就是从这个区域中分配的

未初始化的数据： 没有初始化的全局变量被放在固定地址中。通常，这段区域都会被初始化为0。

初始化的数据： 任何被赋予了初始值的数据都被组织在内存中的一段连续的区域内，因此他们就能够与程序页一同被有效地载入

程序页：构成应用程序的机器代码指令就是程序页。当有硬件支持时，程序页通常是只读的，这样就可以防止程序意外的重写其自身指令区域。

第0页：通常，一个以地址0为开始的内存片段会被保留下来被设置为不可读区域，他可以用来捕捉一种常见的错误，这种错误就是使用一个NULL指针访问数据。

第一部分 C++内存地址分配简介

1 内存地址是从高地址到低地址进行分配的：

int i=1;  
int j=1;  
cout

2 函数参数列表的存放方式是，先对最右边的形参分配地址，后对最左边的形参分配地址。

3 Little-endian模式的CPU对操作数的存放方式是从低字节到高字节的

0x1234的存放方式入下：

0X4000 0x34

0X4001 0x12

4 Big-endian模式的CPU对操作数的存放方式是从高字节到低字节的

0x1234的存放方式入下：

0x4000 0x12

0x4001 0x34

5 联合体union的存放顺序是所有成员都从低地址开始存放。

6 一个变量的地址是由它所占内存空间中的最低位地址表示的。

0X4000 0x34

0X4001 0x12

0x1234 的地址位0x4000

7 堆栈的分配方式是从高内存地址向低内存地址分配的。

int ivar=0;

int iarray[2]={11, 22};

注意iarray[2]越界使用，比如对其赋值

iarray[2]=0;

那么则同时对ivar赋值为0，可能产生死循环，因为它们的地址相同，即&ivar等于&iarray[2]。

第二部分 C/C++内存区划分

一 在C中分为这几个存储区

1.栈 由编译器自动分配释放；

2.堆 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收；

3.全局区（静态区），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。 程序结束释放；

4.另外还有一个专门放常量的地方。 程序结束释放。

在函数体中定义的变量通常是在栈上，用malloc, calloc, realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。在所有函数体外定义的是全局量，加了static修饰符后不管在哪里都存放在全局区（静态区）,在所有函数体外定义的static变量表示在该文件中有效，不能extern到别的文件用，在函数体内定义的static表示只在该函数体内有效。另外，函数中的”adgfdf”这样的字符串存放在常量区。比如：

int  a = 0; //全局初始化区  
char *p1; //全局未初始化区  
void main()  
{       
int b;                   //栈       
char s[] = "abc"; //栈       
char *p2;         //栈       
char *p3 = "123456";       //123456{post.content}在常量区，p3在栈上       
static int c = 0;          //全局（静态）初始化区       
p1 = (char *)malloc(10);   //分配得来得10字节的区域在堆区       
p2 = (char *)malloc(20);   //分配得来得20字节的区域在堆区       
strcpy(p1, "123456");      
//123456{post.content}放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一块  
}  

二.在C++中，内存分成5个区

他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区

1.栈，就是那些由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。

2.堆，就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。

3.自由存储区，就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。

4.全局/静态存储区，全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。

5.常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改（当然，你要通过非正当手段也可以修改）。

在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题。 　　

首先，我们举一个例子：

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

这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？它分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。

在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：

00401028 push 14h 
0040102A call operator new (00401060) 
0040102F add esp,4 
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax `这里写代码片`
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8] 
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax 

这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢?是delete p么?错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别?

主要的区别由以下几点：

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，在它弹出之前，在它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：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

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，不需要我们手工实现。

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(我的注释:关于EBP寄存器请参考另一篇文章)。

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：)