C++内存分区

一、内存分几个区原因

系统运行时不能所有数据都读取到CPU寄存器，所以需要有缓存，缓存不够用了所以有多级缓存。缓存的存储器毕竟还是相对昂贵的，所以还有内存（也叫外存）。但是数据在内存中的是怎样存放，这又是一个问题。

1. 首先从字节层面看：信息在计算机肯定是0/1的bit比特位形式存储，习惯是8bit作为一个字节作为一个有意义的存储单位，但是有些数据的最小存储单位是多个字节，例如：int类型。多字节的数据在内存或者寄存器存储方式可以分为：大端、小端。
2. 整体内存层面看：内存中有执行的二进制代码程序、有代码运行时需要不断改变的变量、有代码运行调用但是不需要改变的常量、还有需要的数据等等。内存中的数据可以看做多小电容，不停读写修改会让这些电容充放电，充放电频繁会产生磁场对附近的其他数据影响。为了抵消这些影响，系统把内存分为多个区，这样可以有效提升数据的安全性。企业级服务器使用的一般都是带ECC(Error Correcting Code)错误检查纠正技术的内存。

二、主流说法

程序在内存中主要分几个区域，每个区域存储那些数据(此处把程序、变量等都看做数据)，主要有以下几种说法：

1. 第一种说法是：5个区域(堆区、栈区、全局/静态存储区、常量存储区、自由存储区)。
2. 第二种说法是：5个区域(堆区、栈区、全局/静态区、(字符)常量存储区、程序代码区)。
3. 第三种说法是：5个区域(bss是英文Block Started by Symbol的简称、text段是程序代码段、data包含静态初始化的数据、stack保存函数的局部变量和参数、heap保存函数内部动态分配内存)
4. 第四种说法是：4个区域(堆区、栈区、全局/静态存储区、常量区)。

2.1相同部分对比

堆区	栈区	全局/静态存储区
堆是“先进先出”(First In first Out，FIFO)数据结构。 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统(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。 它只允许在堆的一端插入数据，在另一端移走数据。堆的地址空间“向上增加”，即当堆上保存的数据越多，堆的地址就越高。 有的说法是：程序员分配通过malloc申请的动态内存在堆区创建，free来结束并释放；new创建的对象在自由存储区创建。new申请的内存需要程序员delete，malloc申请的内存需要free释放，从而防止内存泄漏。对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak	栈是一种“后进先出”(Last In First Out，LIFO)的数据结构。 由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清除。 存放函数的参数值，局部变量的值等 栈另外一个重要的特征是，它的地 址空间“向下减少”，即当栈上保存的数据越多，栈的地址就越低。栈（stack）的顶部在可读写的RAM区的最后。	全局变量和静态变量被分配此区域(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)。 段的起始位置也是由连接定位文件所确定。 大小在编译连接时自动分配，它和程序大小没有关系，但和程序使用到的全局变量，常量数量相关。

注意：堆区数据有先进先出特性，栈区数据有后进先出特性，但是并不是说只能依次取数据。具体怎么取堆/栈区中间数据需要看堆/栈是怎么实现的。如果栈是用常见的最大/最小树结构实现，那么就是取中间数据后再对其进行排序即可。

2.2自由存储区、堆区

主要讨论点是：自由存储区(free store)，堆区有什么区别

• 很多博客划分自由存储区与堆的分界线就是new/delete与malloc/free。
• 然而，尽管C++标准没有要求，但很多编译器的new/delete都是以malloc/free为基础来实现的。那么借以malloc实现的new，所申请的内存是在堆上还是在自由存储区上？
• 从技术上来说，堆（heap）是C语言和操作系统的术语。堆是操作系统所维护的一块特殊内存，它提供了动态分配的功能，当运行程序调用malloc()时就会从中分配，稍后调用free可把内存交还。
  自由存储是C++中通过new和delete动态分配和释放对象的抽象概念，通过new来申请的内存区域可称为自由存储区。
• 基本上，所有的C++编译器默认使用堆来实现自由存储，也即是缺省的全局运算符new和delete也许会按照malloc和free的方式来被实现，这时由new运算符分配的对象，说它在堆上也对，说它在自由存储区上也正确。但程序员也可以通过重载操作符，改用其他内存来实现自由存储，例如全局变量做的对象池，这时自由存储区就区别于堆了。我们所需要记住的就是：
     堆是操作系统维护的一块内存，而自由存储是C++中通过new与delete动态分配和释放对象的抽象概念。堆与自由存储区并不等价。

2.3堆区和栈区区别

堆区和栈区主要区别集中在以下几点：

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。

具体区别参考下表：

堆区

栈区

堆区的使用由程序员通过new/malloc申请，需要由程序员显式的delete/free释放，如果没有显式是放程序结束系统会自动回收，但是程序运行时由内存泄漏的风险。 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。 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。 堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。 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。

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。 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xM，x往往是固定的。比较小。 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 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。 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，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。 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，使用的时候尽量用栈，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，产生以想不到的 结果,就算是在程序运行过程中，没有发生上面的问题，还是要小心，说不定什么时候就崩掉。

2.4数据结构中的堆栈

以上的内存分区中的堆栈并不对应数据结构中的堆/栈。

2.4.1数据结构中的堆

堆(Heap)是计算机科学中一类特殊的数据结构的统称。堆通常是一个可以被看做一棵完全二叉树的数组对象。

• 堆中某个结点的值总是不大于或不小于其父结点的值；
• 堆总是一棵完全二叉树。

堆分为两种：最大堆和最小堆，两者的差别在于节点的排序方式。

2.4.2数据结构中的栈

栈（stack）限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈。

栈原来的意思，如此才能把握本质。栈,存储货物或供旅客住宿的地方,可引申为仓库、中转站，所以引入到计算机领域里，就是指数据暂时存储的地方，所以才有进栈、出栈的说法。

栈的特点后进先出的原则存储数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据（最后一个数据被第一个读出来）。栈具有记忆作用，对栈的插入与删除操作中，不需要改变栈底指针。

三、栈使用

对内存分区有一些了解，知道为什么内存中数据要分开存，然后了解大概可以分几个区即可。具体分几个，new的对象存储在哪里，malloc申请的内存在哪里这些细节需要看具体的编译器和操作系统。如果不是做编译器的，可以对这些有了解即可。

3.1栈空间分配和栈溢出

栈空间分配：从高地址向低地址依次分配栈变量/对象空间(注意：栈变量/对象的数据的存储顺序遵从大端、小端规则，这个大端小端和栈空间分配顺序不一定一致)；

栈溢出：

1. 根据栈空间分配规则，可以设想如果有多个变量/对象时，变量/对象定义(不是声明)的顺序决定这个变量/对象在栈空间的位置。
2. 先定义的在高地址空间，后分配变量在低地址空间。
3. 后分配的栈变量/对象发生溢出时，是向高地址溢出，会覆盖定义顺序在前面的栈变量内容(Windows visual studio)。

测试代码：

#include <iostream>
#include <string>

void stackOverflow(char *data) {

    char fillData[18];
    memset(fillData, 'A', sizeof(fillData));
    int s = sizeof fillData;
    //内存拷贝到data，实际拷贝数据量比data内存空间大
    //溢出后向高地址空间覆盖
    memcpy(data, fillData, sizeof(fillData));
}

int main()
{
    char mainData[6] = "hello";
    char overflowData[6];
    memset(overflowData, 'B', sizeof(overflowData));
    std::cout << "before:\t"<< mainData << std::endl;
    //overflowData溢出后向高地址覆盖
    //会覆盖mainData空间内容
    stackOverflow(overflowData);
    std::cout << "after:\t" << mainData << std::endl;
    getchar();
}

• 执行结果：

四、相关参考

非常感谢以下的博客文章：

• https://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5060894.html
• https://www.cnblogs.com/ccsccs/articles/4025131.html