C/C++内存分配

一、      预备知识—程序的内存分配：

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：
1、栈区（stack）—由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区（heap）—一般由程序员分配释放，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，分配方式倒是类似于链表。
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。
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。
5、程序代码区

举例来说：

//main.cpp
int a=0;    //全局初始化区
char *p1;   //全局未初始化区
main()
{
   int b;//栈
   char s[]="abc";  //栈
   char *p2;        //栈
   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
   p1 = (char*)malloc(10);
   p2 = (char*)malloc(20);   //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
   strcpy(p1,"123456");   //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所向"123456"优化成一个地方。
}

二、堆和栈的理论知识

2.1申请方式
stack(栈):由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量int b;系统自动在栈中为b开辟空间
heap(堆):需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数如p1=(char*)malloc(10);;如p2=(char*)malloc(10);但是注意p1、p2本身是在栈中的。在C++中用new运算符。
2.2申请后系统的响应
栈：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：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。
2.3申请大小的限制
栈：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。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。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
2.4申请效率的比较：
栈:由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆:是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用Virtual Alloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。VirtualAlloc是Windows提供的API，通常用来分配大块的内存。例如如果想在进程A和进程B之间通过共享内存的方式实现通信，可以使用该函数（这也是较常用的情况）。

2.5堆和栈中的存储内容
栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变

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，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。
2.6存取效率的比较
char s1[]="aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2="bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。
比如：

#include <iostream>
void main()
{
char a=1;
char c[]="1234567890";
char *p="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}

对应的汇编代码
10:a=c[1];
004010678A4DF1movcl,byteptr[ebp-0Fh]
0040106A884DFCmovbyteptr[ebp-4],cl
11:a=p[1];
0040106D8B55ECmovedx,dwordptr[ebp-14h]
004010708A4201moval,byteptr[edx+1]
004010738845FCmovbyteptr[ebp-4],al
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据

edx读取字符，显然慢了。
2.7小结：
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（发出申请）、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。

三、区分char *和char []

char *定义的是一个指向字符串的指针（注意：C语言中没有对应字符串的内置类型或者类类型），而char []就是C语言中的用来定义字符数组（注意：字符数组是不同于字符串，如果字符数组以'/0'结尾，那么可以视为字符串）。

char a[]在运行时赋值，值会从静态区赋值到函数的栈中，对它进行修改不会产生任何问题。char *a在编译时就确定了，a指向静态区中的值，没有赋值到函数栈中， 因此对指针的内容进行修改会产生错误。

问题引入：

一个的错误，同样char *c = "abc"和char c[]="abc",前者改变其内

容程序是会崩溃的，而后者完全正确。
程序演示：

#include <iostream>
using namespace std;

main()
{
   char *c1 = "abc";
   char c2[] = "abc";
   char *c3 = ( char* )malloc(3);
   c3 = "abc";
   printf("%d %d %s\n",&c1,c1,c1);
   printf("%d %d %s\n",&c2,c2,c2);
   printf("%d %d %s\n",&c3,c3,c3);
   getchar();
}   

运行结果
2293628 4199056 abc
2293624 2293624 abc
2293620 4199056 abc

自我总结：
char *c1 = "abc";实际上先是在文字常量区分配了一块内存放"abc",然后在栈上分配一地址给c1并指向这块地址，然后改变常量"abc"自然会崩溃

然而char c2[] = "abc",实际上abc分配内存的地方和上者并不一样，可以从
4199056
2293624 看出，完全是两块地方，推断4199056处于常量区，而2293624处于栈区

2293628
2293624
2293620 这段输出看出三个指针分配的区域为栈区，而且是从高地址到低地址

2293620 4199056 abc 看出编译器将c3优化指向常量区的"abc"

继续思考：
代码：

#include <iostream>
using namespace std;

main()
{
   char *c1 = "abc";
   char c2[] = "abc";
   char *c3 = ( char* )malloc(3);
   // *c3 = "abc" //error
   strcpy(c3,"abc");
   c3[0] = 'g';
   printf("%d %d %s\n",&c1,c1,c1);
   printf("%d %d %s\n",&c2,c2,c2);
   printf("%d %d %s\n",&c3,c3,c3);
   getchar();
}   

输出：
2293628 4199056 abc
2293624 2293624 abc
2293620 4012976 gbc
写成注释那样，后面改动就会崩溃
可见strcpy(c3,"abc");abc是另一块地方分配的，而且可以改变。

C3指针本身在栈上面，但指向内容已经在堆上。

四、Windows中不同的内存分配方式

(1) malloc

C语言的内存分配函数，用于分配一般的内存空间，该函数分配的内存不会自动进行初始化。如果使用C语言编程，使用该函数。在Visual C++ 中，malloc函数会调用HeapAlloc函数。

malloc分配的内存由free函数释放。

(2) new

C++语言的实现方式，在Visual C++ 中，通过调用HeapAlloc实现内存分配，如果使用C++编程，建议使用new进行一般内存的分配。系统根据调用的方式决定是否对对象进行初始化。

注意： new 在C++中实际上是操作符而不是函数。

使用new 分配的内存由delete / delete[] 进行释放。

(3) VirtualAlloc

PVOID VirtualAlloc(PVOID pvAddress, SIZE_T dwSize, DWORD fdwAllocationType, DWORD fdwProtect)

VirtualAlloc是Windows提供的API，通常用来分配大块的内存。例如如果想在进程A和进程B之间通过共享内存的方式实现通信，可以使用该函数（这也是较常用的情况）。不要用该函数实现通常情况的内存分配。该函数的一个重要特性是可以预定指定地址和大小的虚拟内存空间。例如，希望在进程的地址空间中第50MB的地方分配内存，那么将参数 50*1024*`1024 = 52428800 传递给pvAddress，将需要的内存大小传递给dwSize。如果系统有足够大的闲置区域能满足请求，则系统会将该块区域预订下来并返回预订内存的基地址，否则返回NULL。

使用VirtualAlloc分配的内存需要使用VirtualFree来释放。

(4) HeapAlloc

HeapAlloc是Windows提供的API，在进程初始化的时候，系统会在进程的地址空间中创建1M大小的堆，称为默认堆（Default Heap），该大小为默认值，可以通过/HEAP连接器开关进行修改。用户也可以通过HeapCreate创建额外的堆，堆的使用可以更有效的进行内存管理，避免线程同步的开销以及快速的释放内存等。HeapAlloc用于从堆上分配一个内存块，如果分配成功则返回内存块的地址。HeapAlloc内部会根据请求的大小以及堆的大小来决定具体的实现，例如在需要大的内存空间时，会自动调用VirtualAlloc函数分配空间。该函数通常用来分配一般大小的内存空间，一些Windows API可能会要求使用该函数进行内存分配并传递给API参数。注意，在分配大的内存块时（例如1M或者更多）最好避免使用堆函数，建议使用VirtualAlloc。

使用HeapFree释放由HeapAlloc的分配的内存。