详解C/C++中堆和栈及静态数据区

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　　五大内存分区

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。下面分别来介绍：

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除的变量的存储区。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。

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，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区（未初始化的变量都被初始化成0或空串，C中也一样）。

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，你要通过非正当手段也可以修改，而且方法很多）。

　　明确区分堆与栈：

在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。

　　首先，我们举一个例子：

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

上面这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思 就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：

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

这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？哦，错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？

　　主要的区别由以下几点：

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；

管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

空间大小：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。但是对于栈来讲，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1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：

打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。

注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。

碎片问题：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， 详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。

生长方向：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；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。

分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。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。

分配效率：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。

从这里我们可以看到，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，我们推荐大家尽量用栈，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,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的：）

对了，还有一件事，如果有人把堆栈合起来说，那它的意思是栈，可不是堆，呵呵，清楚了？

　　static用来控制变量的存储方式和可见性

函数内部定义的变量，在程序执行到它的定义处时，编译器为它在栈上分配空间，函数在栈上分配的空间在此函数执行结束时会释放掉，这样就产生了一个问 题: 如果想将函数中此变量的值保存至下一次调用时，如何实现？ 最容易想到的方法是定义一个全局的变量，但定义为一个全局变量有许多缺点，最明显的缺点是破坏了此变量的访问范围（使得在此函数中定义的变量，不仅仅受此 函数控制）。

需要一个数据对象为整个类而非某个对象服务,同时又力求不破坏类的封装性,即要求此成员隐藏在类的内部，对外不可见。

　　static的内部机制：

静态数据成员要在程序一开始运行时就必须存在。因为函数在程序运行中被调用，所以静态数据成员不能在任何函数内分配空间和初始化。

这样，它的空间分配有三个可能的地方，一是作为类的外部接口的头文件，那里有类声明；二是类定义的内部实现，那里有类的成员函数定义；三是应用程序的main（）函数前的全局数据声明和定义处。

静态数据成员要实际地分配空间，故不能在类的声明中定义（只能声明数据成员）。类声明只声明一个类的“尺寸和规格”，并不进行实际的内存分配，所以在类声明中写成定义是错误的。它也不能在头文件中类声明的外部定义，因为那会造成在多个使用该类的源文件中，对其重复定义。

static被引入以告知编译器，将变量存储在程序的静态存储区而非栈上空间，静态数据成员按定义出现的先后顺序依次初始化，注意静态成员嵌套时，要保证所嵌套的成员已经初始化了。消除时的顺序是初始化的反顺序。

　　static的优势：

可以节省内存，因为它是所有对象所公有的，因此，对多个对象来说，静态数据成员只存储一处，供所有对象共用。静态数据成员的值对每个对象都是一样，但它的值是可以更新的。只要对静态数据成员的值更新一次，保证所有对象存取更新后的相同的值，这样可以提高时间效率。

引用静态数据成员时，采用如下格式：

<类名>::<静态成员名>

如果静态数据成员的访问权限允许的话(即public的成员)，可在程序中，按上述格式来引用静态数据成员。

PS:

(1)类的静态成员函数是属于整个类而非类的对象，所以它没有this指针，这就导致了它仅能访问类的静态数据和静态成员函数。

(2)不能将静态成员函数定义为虚函数。

(3)由于静态成员声明于类中，操作于其外，所以对其取地址操作，就多少有些特殊，变量地址是指向其数据类型的指针，函数地址类型是一个“nonmember函数指针”。

(4)由于静态成员函数没有this指针，所以就差不多等同于nonmember函数，结果就产生了一个意想不到的好处：成为一个callback函数，使得我们得以将C++和C-based X Window系统结合，同时也成功的应用于线程函数身上。

(5)static并没有增加程序的时空开销，相反她还缩短了子类对父类静态成员的访问时间，节省了子类的内存空间。

(6)静态数据成员在<定义或说明>时前面加关键字static。

(7)静态数据成员是静态存储的，所以必须对它进行初始化。

(8)静态成员初始化与一般数据成员初始化不同:

初始化在类体外进行，而前面不加static，以免与一般静态变量或对象相混淆；

初始化时不加该成员的访问权限控制符private，public等；

初始化时使用作用域运算符来标明它所属类；

所以我们得出静态数据成员初始化的格式：

<数据类型><类名>::<静态数据成员名>=<值>

(9) 为了防止父类的影响，可以在子类定义一个与父类相同的静态变量，以屏蔽父类的影响。这里有一点需要注意：我们说静态成员为父类和子类共享，但 我们有重复定义了静态成员，这会不会引起错误呢？不会，我们的编译器采用了一种绝妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的标志。

　　C语言变量的存储类别

内存中供用户使用的存储空间分为代码区与数据区两个部分。变量存储在数据区，数据区又可分为静态存储区与动态存储区。

静态存储是指在程序运行期间给变量分配固定存储空间的方式。如全局变量存放在静态存储区中，程序运行时分配空间，程序运行完释放。

动态存储是指在程序运行时根据实际需要动态分配存储空间的方式。如形式参数存放在动态存储区中，在函数调用时分配空间，调用完成释放。

对于静态存储方式的变量可在编译时初始化，默认初值为O或空字符。对动态存储方式的变量如不赋初值，则它的值是一个不确定的值。

在C语言中，具体的存储类别有自动(auto)、寄存器(register)、静态(static)及外部(extern)四种。静态存储类别与外部存储类别变量存放在静态存储区，自动存储类别变量存放在动态存储区，寄存器存储类别直接送寄存器。

　　变量存储类别定义方法：

存储类别类型变量表；

例如：

(1)a，b，c为整型自动存储类别变量：

auto int a，b，c；

(2)x，y，z为双精度型静态存储类别变量：

static double x，y，z；

　　1、变量有哪些存储类型？

变量的存储类型由“存储类型指明符”来说明。存储类型指明符可以是下列类键字之一：

auto

register

extern

static

　　下面是详细的解释：

auto 存储类指明符－－用于说明具有局部作用域的变量，它表示变量具有局部（自动）生成期，但由于它是所有局部作用域变量说明的缺省存储类指明符，所以使用得很 少。要注意的是，所有在函数内部定义的变量都是局部变量，函数内部定义的变量其作用域只在函数内部。它的生存期为该函数运行期间，一旦离开这个函数或这个 函数终止，局部变量也随之消失。

register 存储类指明符－－当声明了这个指明符后，编译程序将尽可能地为该变量分配CPU内部的寄存器作为变量的存储单元，以加快运行速度。注意，寄存器与存储器是 不同的。寄存器一般在CPU内部，而存储器一般指外部的（比如内存条），CPU内部的寄存器其运算速度是很高的。当寄存器已分配完毕，就自动地分配一个外 部的内存。它的作用等价于auto，也只能用于局部变量和函数的参量说明。

static 存储类指明符－－表示变量具有静态生成期。static变量的的特点是它离开了其作用域后，其值不会消失。

当回到该作用域之后又可以继续使用这个static变量的值。

例：利用static变量统计调用函数的次数

int two(); /*函数原型说明*/

void main()

{

int a=0;

a=two(); /*a的值等于1*/

a=two() /*a的值等于2*/

a=two(); /*a的值等于3*/

}

int two()

{

static int b=0;　　　　/*定义了一个局部的static变量*/

b ;

return b;

}

如果不是一个static变量就不会有这个效果了

int two(); /*函数原型说明*/

void main()

{

int a=0;

a=two(); /*a的值等于1*/

a=two() /*a的值等于1*/

a=two(); /*a的值等于1*/

}

int two()

{

int b=0;

b ;

return b;

}

变量a的值总是1，原因是在函数two()中，变量b不是一个static变量，其值随着离开two函数就消失了，当回到two函数时又被重新赋值0。

extern 存储类指明符－－一般用在工程文件中。在一个工程文件中因为有多个程序文件，当某一个变量在一个程序文件中定义了之后，如果在另一个程序文件中予以定义， 就会出现重复定义变量的错误。使用extern存储类型指明符就可以指出在该文件外部已经定义了这个变量。extern变量的作用域是整个程序。

2、变量存储在内存的什么地方？

1）变量可以存储在内存的不同地方，这依赖于它们的`生成期。在函数上部定义的变量（全局变量或static外部变量）和在函数内部定义的static变 量，其生存期就是程序运行的全过程。这些变量被存储在数据段(Data　Segment)中。数据段是在内存中为这些变量留出的一段大小固定的空间，它分 为二部分，一部分用来初始化变量，另一部分用来存放未初始化的变量。

2）在函数内部定义的auto变量（没有用关键字static定义的变量）的生成期从程序开始执行其所在的程序块代码时开始，到程序离开该程序块时为止。 作为函数参数的变量只在调用该函数期间存在。这些变量被存储在栈(stack)中。栈是内存中的一段空间，开始很小，以后逐渐自动变大，直到达到某个预定 义的界限。

3）当用malloc等函数给指针分配一个地址空间的时候，这个分配的内存块位于一段名为“堆（heap）”的内存空间中。堆开始时很小，但调用 malloc或clloc等内存分配函数时它就会增大。堆可以和数据段或栈共用一个内存段，也可以有它自己的内存段，这完全取决于编译选项和操作系统。与 栈相似，堆也有一个增长界限，并且决定这个界限的规则与栈相同。

　　C语言变量的作用域和存储类型

　　一、作用域和生存期

C程序的标识符作用域有三种：局部、全局、文件。标识符的作用域决定了程序中的哪些语句可以使用它，换句话说，就是标识符在程序其他部分的可见性。通常，标识符的作用域都是通过它在程序中的位置隐式说明的。

　　1.局部作用域

前面各个例子中的变量都是局部作用域，他们都是声明在函数内部，无法被其他函数的代码所访问。函数的形式参数的作用域也是局部的，它们的作用范围仅限于函数内部所用的语句块。

void add(int);

main()

{

int num=5;

add(num);

printf("%dn",num); /*输出5*/

}

void add(int num)

{

num++;

printf("%dn",num); /*输出6*/

}

上面例子里的两个num变量都是局部变量，只在本身函数里可见。前面我们说了，在两个函数出现同名的变量不会互相干扰，就是这个道理。所以上面的两个输出，在主函数里仍然是5，在add()函数里输出是6。