内存分配之堆和栈（内存管理一）

这世上，没有谁活得比谁容易，只是有人在呼天抢地，有人在默默努力。

  随着科技的发展，移动设备的内存越来越大，设备的运行速度也越来越快，但是相对于整个应用市场上成千上万的应用容量来说，还是及其有限的。因此，每一个应用所能占用的内存是有限制的。这一专题就是来探讨系统中的内存是如何分配的。

一. 内存分配的引入

1. 什么行为会增加App的内存占用？

①　创建一个OC对象。

②　定义一个变量。

③　调用一个函数和方法。

2. 内存管理范围

  任何继承了NSObject的对象，其它非对象类型不需要管理。简单来说，只有OC对象需要内存管理，非OC对象类型不需要内存管理，比如基本数据类型。

3. 引入堆和栈的概念

  由内存管理范围，我们是不是就有疑问了？为什么OC对象需要进行内存管理，而其它非对象类型比如基本数据类型就不需要进行内存管理了呢？只有OC对象才需要进行内存管理的本质原因是什么？

  因为OC的对象在内存中是以堆（heap）的方式分配空间的，并且堆（heap）是由程序开发者释放的，就是release。也就是说OC对象是存储在堆（heap）里面的，堆内存需要程序开发者手动回收。而非OC对象一般存放在栈里面，栈内存会被系统自动回收。堆内存是动态分配的，所以也需要程序开发者手动添加内存，回收内存。

二. 内存分配区

  所有的进程（执行中的程序）都必须占用一定数量的内存，它或许是用来存放从磁盘载入的程序代码，或是存放取自用户输入的数据等等。不过进程对这些内存的管理方式因内存用途不一而不尽相同，有些内存是事先静态分配和统一回收的，而有些却是按需要动态分配和回收的。

1. 代码区

  代码段是用来存放可执行文件的操作指令（存放函数的二进制代码），也就是说它是可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只允许读取操作，而不允许写入操作。它是不可写的。

2. 常量区

  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。编译时分配，APP结束时由系统释放。

3. 全局（静态）区

  编译时分配，APP结束时由系统释放。

• 数据区，数据段用来存放可执行文件中已经初始化的全局变量，也就是用来存放静态分配的变量和全局变量。

• BSS区，BSS段包含了程序中未初始化的全局变量。

4. 堆（heap）区

  堆（FIFO）是由程序开发者分配和释放，用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用alloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用release释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减），因为我们现在iOS基本都使用ARC来管理对象，所以不用我们程序员来管理，但是我们要知道这个对象存储的位置。

5. 栈（stack）区

  栈（LIFO）是由编译器自动分配并释放，用户存放程序临时创建的局部变量，存放函数的参数值，局部变量等。也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味这在数据段中存放变量）。除此以外在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进后出（LIFO）特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上将我们可以把栈看成一个临时数据寄存、交换的内存区。

  上述几种内存区域中常量区、数据段、BSS和堆通常是被连续存储的，内存位置上是连续的，而代码段和栈往往会被独立存放。

  栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。有人会问堆和栈会不会碰到一起，他们之间间隔很大，绝少有机会能碰到一起，况且堆是链表方式存储。

int age = 27; //全局初始化区（数据区）
NSString *name; //全局未初始化区（BSS区）
static NSString *sName = @"Dely";//全局（静态初始化）区（数据区）

@implementation ViewController 
- (void)viewDidLoad {  
		[super viewDidLoad];  
    Int tmpAge;//栈  
    NSString * tmpName = @"Dely";//栈  
    NSString * number = @"123456"; //123456\0在常量区，number在栈上。  
    NSMutableArray * array = [NSMutableArray arrayWithCapacity:1];//分配而来的8字节的区域就在堆中，array在栈中，指向堆区的地址。  
    NSInteger total = [self getTotalNumber:1 number2:1];
}

// 当ViewDidLoad代码块一过，tmpAge、tmpName 、number 、* array指针都会被系统编译器自动回收。而OC对象不会被系统回收，因为它存放在堆里面，堆里面的内存是动态存储的，所以需要程序员手动回收内存。 

-(NSInteger)getTotalNumber:(NSInteger)number1 number2:(NSInteger)number2{  
    return number1 + number2;//number1和number2 栈区
}

@end 

三. 堆和栈的区别

1. 申请方式和回收方式

• 栈区（stack）：由编译器自动分配和释放。

• 堆区（heap）：由程序开发者分配和释放。

2. 申请后的系统响应

• 栈：每一个函数在执行的时候都会向操作系统索要资源，栈区就是函数运行时的内存，栈区中的变量由编译器负责分配和释放，内存随着函数的运行分配，随着函数的结束而释放，由系统自动完成。

  注意：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。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：栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，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。

4.申请效率的比较

• 栈区（stack）：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

• 堆区（heap）：是由alloc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。

5.分配方式的比较

• 栈区（stack）：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alloc函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

• 堆区（heap）：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。

6.分配效率的比较

• 栈区（stack）：栈是操作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。

• 堆区（heap）：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。