C++学习笔记——堆、栈和存储空间分类

堆和栈：

（1）管理方式：堆中资源由程序员控制（通过malloc/free、new/delete，容易产生memory leak），栈资源由编译器自动管理。

（2）系统响应：对于堆，系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序申请时，遍历该链表，寻找第一个大于所申请空间的空间的堆结点，删除空闲结点链表中的该结点，并将该结点空间分配给程序（大多数系统会在这块内存空间首地址记录本次分配的大小，这样delete才能正确释放本内存空间，另外，系统会将多余的部分重新放入空闲链表中）。对于栈，只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统就会为程序分配内存，否则报异常出现栈空间溢出错误。

（3）空间大小：堆是不连续的内存区域（因为系统是用链表来存储空闲内存地址的，自然不是连续），堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存（32位机器上理论上是4G大小），所以堆的空间比较灵活，比较大。栈是一块连续的内存区域，大小是操作系统预定好的，windows下栈大小是2M（也有是1M，在编译时确定，VC中可设置）。

（4）碎片问题：对于堆，频繁的new/delete会造成大量内存碎片，降低程序效率。对于栈，它是一个先进后出（first-in-last-out）的结构，进出一一对应，不会产生碎片。

（5）生长方向：堆向上，向高地址方向增长；栈向下，向低地址方向增长。

（6）分配方式：堆是动态分配（没有静态分配的堆）。栈有静态分配和动态分配，静态分配由编译器完成（如函数局部变量），动态分配由alloca函数分配，但栈的动态分配资源由编译器自动释放，无需程序员实现。

（7）分配效率：堆由C/C++函数库提供，机制很复杂，因此堆的效率比栈低很多。栈是机器系统提供的数据结构，计算机在底层对栈提供支持，分配专门的寄存器存放栈地址，提供栈操作专门的指令。

C++内存结构：

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。

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。

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。

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。（堆和自由存储区其实可以看作是同一块区域，new底层实现代码中调用了malloc，new可以看成是malloc智能化的高级版本）

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（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与静态变量在相邻的另一块区域，同时未被初始化的对象存储区可以通过void*来访问和操纵，程序结束后由系统自行释放），在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。

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，不允许修改。（当然，通过非正当手段也可以修改，而且方法很多）

内存区域的划分在代码中的例子：

int   b;    
//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所指向的"123456"优化成一个地方。
}

P.S. 在开辟内存时，使用new[]开辟了数组空间后，释放空间一定用delete[]才能在释放空间时告诉编译器释放的是数组空间。

P.S.

p1 = (char *)malloc(10);

在上面这行代码中，为指针p1开辟了10个字节的空间，这10个字节的空间在堆中，即自由存储区，但是指针p1存储在栈中。具体含义为在栈中存储了一个指针，这个指针指向堆中的一块内存。

参考：
C++中堆和栈的区别