詳解C/C++中堆和棧及靜態數據區

本文是本站小編搜索整理的關於詳解C/C++中堆和棧及靜態數據區，供參考學習，希望對大家有所幫助!想了解更多相關信息請持續關注我們應屆畢業生考試網!

　　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。下面分別來介紹：

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。裏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，那麼在程序結束後，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++裏面沒有這個區分了，他們共同佔用同一塊內存區（未初始化的變量都被初始化成0或空串，C中也一樣）。

常量存儲區，這是一塊比較特殊的存儲區，他們裏面存放的是常量，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）。

　　明確區分堆與棧：

在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。

　　首先，我們舉一個例子：

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

上面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，那麼指針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，然後調用operator new分配內存，然後返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編代碼如下：

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

這裏，我們為了簡單並沒有釋放內存，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？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：堆和棧究竟有什麼區別？

　　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：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來説，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麼限制的。但是對於棧來講，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，然後在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裏面，它設置的較大會使棧開闢較大的值，可能增加內存的開銷和啟動時間。

碎片問題：對於堆來講，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。對於棧來講，則不會存在這個 問題，因為棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出， 詳細的可以參考數據結構，這裏我們就不再一一討論了。

生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向着內存地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向着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，它的機制是很複雜的，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（可能是由於內存碎片太多），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，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這裏我們可以看到，堆和棧相比，由於大量 new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片；由於沒有專門的系統支持，效率很低；由於可能引發 用户態和核心態的切換，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和局部變量都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，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），因為越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、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，説不定什麼時候就崩掉，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説，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？

　　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範圍（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，那裏有類聲明；二是類定義的內部實現，那裏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”，並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，對其重複定義。

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後順序依次初始化，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，對多個對象來説，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後的相同的值，這樣可以提高時間效率。

引用靜態數據成員時，採用如下格式：

<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。

PS:

(1)類的靜態成員函數是屬於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)由於靜態成員聲明於類中，操作於其外，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)由於靜態成員函數沒有this指針，所以就差不多等同於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，同時也成功的應用於線程函數身上。

(5)static並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<定義或説明>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。這裏有一點需要注意：我們説靜態成員為父類和子類共享，但 我們有重複定義了靜態成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器採用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的標誌。

　　C語言變量的存儲類別

內存中供用户使用的存儲空間分為代碼區與數據區兩個部分。變量存儲在數據區，數據區又可分為靜態存儲區與動態存儲區。

靜態存儲是指在程序運行期間給變量分配固定存儲空間的方式。如全局變量存放在靜態存儲區中，程序運行時分配空間，程序運行完釋放。

動態存儲是指在程序運行時根據實際需要動態分配存儲空間的方式。如形式參數存放在動態存儲區中，在函數調用時分配空間，調用完成釋放。

對於靜態存儲方式的變量可在編譯時初始化，默認初值為O或空字符。對動態存儲方式的變量如不賦初值，則它的值是一個不確定的值。

在C語言中，具體的存儲類別有自動(auto)、寄存器(register)、靜態(static)及外部(extern)四種。靜態存儲類別與外部存儲類別變量存放在靜態存儲區，自動存儲類別變量存放在動態存儲區，寄存器存儲類別直接送寄存器。

　　變量存儲類別定義方法：

存儲類別類型變量表；

例如：

(1)a，b，c為整型自動存儲類別變量：

auto int a，b，c；

(2)x，y，z為雙精度型靜態存儲類別變量：

static double x，y，z；

　　1、變量有哪些存儲類型？

變量的存儲類型由“存儲類型指明符”來説明。存儲類型指明符可以是下列類鍵字之一：

auto

register

extern

static

　　下面是詳細的解釋：

auto 存儲類指明符－－用於説明具有局部作用域的變量，它表示變量具有局部（自動）生成期，但由於它是所有局部作用域變量説明的缺省存儲類指明符，所以使用得很 少。要注意的是，所有在函數內部定義的變量都是局部變量，函數內部定義的變量其作用域只在函數內部。它的生存期為該函數運行期間，一旦離開這個函數或這個 函數終止，局部變量也隨之消失。

register 存儲類指明符－－當聲明瞭這個指明符後，編譯程序將盡可能地為該變量分配CPU內部的寄存器作為變量的存儲單元，以加快運行速度。注意，寄存器與存儲器是 不同的。寄存器一般在CPU內部，而存儲器一般指外部的（比如內存條），CPU內部的寄存器其運算速度是很高的。當寄存器已分配完畢，就自動地分配一個外 部的內存。它的作用等價於auto，也只能用於局部變量和函數的參量説明。

static 存儲類指明符－－表示變量具有靜態生成期。static變量的的特點是它離開了其作用域後，其值不會消失。

當回到該作用域之後又可以繼續使用這個static變量的值。

例：利用static變量統計調用函數的次數

int two(); /*函數原型説明*/

void main()

{

int a=0;

a=two(); /*a的值等於1*/

a=two() /*a的值等於2*/

a=two(); /*a的值等於3*/

}

int two()

{

static int b=0;　　　　/*定義了一個局部的static變量*/

b ;

return b;

}

如果不是一個static變量就不會有這個效果了

int two(); /*函數原型説明*/

void main()

{

int a=0;

a=two(); /*a的值等於1*/

a=two() /*a的值等於1*/

a=two(); /*a的值等於1*/

}

int two()

{

int b=0;

b ;

return b;

}

變量a的值總是1，原因是在函數two()中，變量b不是一個static變量，其值隨着離開two函數就消失了，當回到two函數時又被重新賦值0。

extern 存儲類指明符－－一般用在工程文件中。在一個工程文件中因為有多個程序文件，當某一個變量在一個程序文件中定義了之後，如果在另一個程序文件中予以定義， 就會出現重複定義變量的錯誤。使用extern存儲類型指明符就可以指出在該文件外部已經定義了這個變量。extern變量的作用域是整個程序。

2、變量存儲在內存的什麼地方？

1）變量可以存儲在內存的不同地方，這依賴於它們的`生成期。在函數上部定義的變量（全局變量或static外部變量）和在函數內部定義的static變 量，其生存期就是程序運行的全過程。這些變量被存儲在數據段(Data　Segment)中。數據段是在內存中為這些變量留出的一段大小固定的空間，它分 為二部分，一部分用來初始化變量，另一部分用來存放未初始化的變量。

2）在函數內部定義的auto變量（沒有用關鍵字static定義的變量）的生成期從程序開始執行其所在的程序塊代碼時開始，到程序離開該程序塊時為止。 作為函數參數的變量只在調用該函數期間存在。這些變量被存儲在棧(stack)中。棧是內存中的一段空間，開始很小，以後逐漸自動變大，直到達到某個預定 義的界限。

3）當用malloc等函數給指針分配一個地址空間的時候，這個分配的內存塊位於一段名為“堆（heap）”的內存空間中。堆開始時很小，但調用 malloc或clloc等內存分配函數時它就會增大。堆可以和數據段或棧共用一個內存段，也可以有它自己的內存段，這完全取決於編譯選項和操作系統。與 棧相似，堆也有一個增長界限，並且決定這個界限的規則與棧相同。

　　C語言變量的作用域和存儲類型

　　一、作用域和生存期

C程序的標識符作用域有三種：局部、全局、文件。標識符的作用域決定了程序中的哪些語句可以使用它，換句話説，就是標識符在程序其他部分的可見性。通常，標識符的作用域都是通過它在程序中的位置隱式説明的。

　　1.局部作用域

前面各個例子中的變量都是局部作用域，他們都是聲明在函數內部，無法被其他函數的代碼所訪問。函數的形式參數的作用域也是局部的，它們的作用範圍僅限於函數內部所用的語句塊。

void add(int);

main()

{

int num=5;

add(num);

printf("%dn",num); /*輸出5*/

}

void add(int num)

{

num++;

printf("%dn",num); /*輸出6*/

}

上面例子裏的兩個num變量都是局部變量，只在本身函數裏可見。前面我們説了，在兩個函數出現同名的變量不會互相干擾，就是這個道理。所以上面的兩個輸出，在主函數裏仍然是5，在add()函數裏輸出是6。