linux面试之--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须要的时候分配，在不须要的时候自己主动清除的变量的存储区。里面的变量一般是局部变量、函数參数等。在一个进程中。位于用户虚拟地址空间顶部的是用户栈，编译器用它来实现函数的调用。和堆一样，用户栈在程序运行期间能够动态地扩展和收缩。

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 就要相应一个 delete。

假设程序猿没有释放掉，那么在程序结束后。操作系统会自己主动回收。堆能够动态地扩展和收缩。

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。只是它是用 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，在曾经的 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还有一块区域。同一时候未被初始化的对象存储区能够通过 void* 来訪问和操纵，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，这是一块比較特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不同意改动（当然，你要通过非正当手段也能够改动，并且方法非常多）

　　明白区分堆与栈

　　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，刚開始学习的人对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。

　　首先。我们举一个样例：

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

　　这条短短的一句话就包括了堆与栈，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 下的汇编代码例如以下：

　　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？噢。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 就会依据对应的 Cookie 信息去进行释放内存的工作。

　　好了，我们回到我们的主题：堆和栈到底有什么差别？

　　基本的差别由下面几点：

　　1、管理方式不同；

　　2、空间大小不同；

　　3、是否能产生碎片不同。

　　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，是由编译器自己主动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序猿控制，easy产生memory leak。

　　空间大小：一般来讲在 32 位系统下。堆内存能够达到4G的空间。从这个角度来看堆内存差点儿是没有什么限制的。可是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的。比如。在VC6以下，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们能够改动：打开project，依次操作菜单例如以下：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中面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能添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，使程序效率减少。

对于栈来讲，则不会存在这个问题。由于栈是先进后出的队列，他们是如此的一一相应，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，具体的能够參考数据结构。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添加的方向；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毕的，比方局部变量的分配。

动态分配由 malloc 函数进行分配，可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运行，这就决定了栈的效率比較高。堆则是 C/C++ 函数库提供的，它的机制是非常复杂的。比如为了分配一块内存，库函数会依照一定的算法（详细的算法能够參考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间。假设没有足够大小的空间（可能是因为内存碎片太多），就有可能调用系统功能去添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。

　　从这里我们能够看到。堆和栈相比，因为大量 new/delete 的使用，easy造成大量的内存碎片；因为没有专门的系统支持，效率非常低。因为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毕，函数调用过程中的參数，返回地址，EBP 和局部变量都採用栈的方式存放。

所以，我们推荐大家尽量用栈。而不是用堆。

　　尽管栈有如此众多的优点，可是因为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。

　　不管是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是有益使其越界）。由于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,就算是在你的程序执行过程中，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 但是相当困难的 ：）

　　对了。另一件事，假设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，在程序运行到它的定义处时，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运行结束时会释放掉，这样就产生了一个问题: 假设想将函数中此变量的值保存至下一次调用时，怎样实现？ 最easy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很多缺点。最明显的缺点是破坏了此变量的訪问范围（使得在此函数中定义的变量，不只受此 函数控制）。须要一个数据对象为整个类而非某个对象服务，同一时候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開始执行时就必须存在。由于函数在程序执行中被调用，所以静态数据成员不能在不论什么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（仅仅能声明数据成员）。

类声明仅仅声明一个类的“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。它也不能在头文件里类声明的外部定义，由于那会造成在多个使用该类的源文件里。对其反复定义。

　　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：

　　能够节省内存。由于它是全部对象所公有的，因此，对多个对象来说。静态数据成员仅仅存储一处。供全部对象共用。静态数据成员的值对每一个对象都是一样。但它的 值是能够更新的。

仅仅要对静态数据成员的值更新一次。保证全部对象存取更新后的同样的值，这样能够提高时间效率。引用静态数据成员时。採用例如以下格式：

　　<类名>::<静态成员名>

　　假设静态数据成员的訪问权限同意的话(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，这就导致了它仅能訪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) 因为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) 因为静态成员函数没有 this 指针。所以就差点儿相同等同于 nonmember 函数，结果就产生了一个意想不到的优点：成为一个 callback 函数，使得我们得以将 c++ 和 c-based x window 系统结合，同一时候也成功的应用于线程函数身上。

　　(5) static 并没有添加程序的时空开销。相反她还缩短了子类对父类静态成员的訪问时间。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keyword 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訪问权限控制符 private、public；

　　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，能够在子类定义一个与父类同样的静态变量，以屏蔽父类的影响。

这里有一点须要注意：我们说静态成员为父类和子类共享。但我们有反复定义了静态成员。这会不会引起错误呢？不会，我们的编译器採用了一种绝妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的标志。

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补充说明：

2.堆和栈的差别主要有一下几点：

2.1管理方式不同 

   stack:由系统自己主动分配。 比如。声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自己主动在栈中为b开辟空间 

   heap: 须要程序猿自己申请，并指明大小，在c中malloc函数 

   如p1 = (char *)malloc(10); 

   在C++中用new运算符 

   如p2 = (char *)malloc(10); 

   可是注意p1、p2本身是在栈中的。



2.2 申请后系统的响应 

   栈：仅仅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暇内存地址的链表，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，然后将该结点从空暇结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。另外。对于大多数系统。会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小。这样，代码中的delete语句才干正确的释放本内存空间。另外。因为找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自己主动的将多余的那部分又一次放入空暇链表中。



2.3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，从而产生大量的碎片，使程序效率减少。

  对于栈来讲。则不会存在这个问题，由于栈是后进先出的队列，他们是如此的一一相应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在它弹出之前。在它上面的后进栈的内容已经被弹出。



2.4生长方向

   对于堆来讲。生长方向是向上的，也就是想着内存地址添加的方向。

   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。



2.5分配方式

   堆是动态分配的，没有静态分配的堆。

   栈有两种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配时编译器完毕的，比方局部变量的分配。动态分配由函数alloca函数进行分配，可是栈的动态分配和堆石不同的，它的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工是想。

2.6 分配效率

   栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层堆栈提供支持：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运行，这就决定了栈的效率比較高。

   堆则是c/c++函数库提供的，它的机制是非常复杂的，比如为了分配一块内存。库函数会依照一定的算法在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，假设没有足够大小的空间（可能是因为碎片太多），就有可能调用系统功能去添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，堆得效率比栈要低得多。



2.3申请大小的限制 

   栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的。在 WINDOWS下。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），假设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。

这是因为系统是用链表来存储的空暇内存地址的，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，堆获得的空间比較灵活，也比較大。

2.4申请效率的比較： 

   栈由系统自己主动分配，速度较快。但程序猿是无法控制的。

堆是由new分配的内存，一般速度比較慢，并且easy产生内存碎片,只是用起来最方便. 

另外。在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，尽管用起来最不方便。可是速度快，也最灵活。

2.5堆和栈中的存储内容 

   栈： 在函数调用时。第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个參数，在大多数的C编译器中。參数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。

注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后。局部变量先出栈，然后是參数，最后栈顶指针指向最開始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续执行。

   堆：通常是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。

堆中的详细内容有程序猿安排。



2.6存取效率的比較

   char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 

   char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 

   aaaaaaaaaaa是在执行时刻赋值的； 

   而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的。 

   可是，在以后的存取中。在栈上的数组比指针所指向的字符串(比如堆)快。比方：

[cpp] view
plain copy

1. #include
2. void main()
3. {
4. char a = 1;
5. char c[] = "1234567890";
6. char *p ="1234567890";
7. a = c[1];
8. a = p[1];
9. return;
10. }

相应的汇编代码 

10: a = c[1]; 

00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 

0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 

11: a = p[1]; 

0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 

00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 

00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中。而另外一种则要先把指针值读到edx中。在依据edx读取字符，显然慢了。



2.7小结： 

   堆和栈的差别能够用例如以下的比喻来看出： 

   使用栈就象我们去饭馆里吃饭，仅仅管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用）。吃饱了就走。不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的优点是快捷，可是自由度小。

   使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比較麻烦，可是比較符合自己的口味。并且自由度大。

1、内存分配方面：

堆：一般由程序猿分配释放， 若程序猿不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式是类似于链表。可能用到的keyword例如以下：new、malloc、delete、free等等。

栈：由编译器(Compiler)自己主动分配释放，存放函数的參数值。局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。



2、申请方式方面：

堆：须要程序猿自己申请。并指明大小。

在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10)。在C++中用new运算符，可是注意p1、p2本身是在栈中的。

由于他们还是能够觉得是局部变量。

栈：由系统自己主动分配。

比如。声明在函数中一个局部变量 int b；系统自己主动在栈中为b开辟空间。

3、系统响应方面：

堆：操作系统有一个记录空暇内存地址的链表，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，然后将该结点从空暇结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外。对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小。这样代码中的delete语句才干正确的释放本内存空间。

另外因为找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自己主动的将多余的那部分又一次放入空暇链表中。

栈：仅仅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。



4、限制大小方面：

堆：是向高地址扩展的数据结构。是不连续的内存区域。

这是因为系统是用链表来存储的空暇内存地址的。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。堆获得的空间比較灵活，也比較大。

栈：在Windows下, 栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下。栈的大小是固定的（是一个编译时就确定的常数），假设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。



5、效率方面：

堆：是由new分配的内存，一般速度比較慢，并且easy产生内存碎片，只是用起来最方便，另外。在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，尽管用起来最不方便。

可是速度快。也最灵活。

栈：由系统自己主动分配。速度较快。但程序猿是无法控制的。



6、存放内容方面：

堆：通常是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的详细内容有程序猿安排。

栈：在函数调用时第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址然后是函数的各个參数。在大多数的C编译器中。參数是由右往左入栈，然后是函数中的局部变量。 注意: 静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈。然后是參数，最后栈顶指针指向最開始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续执行。



7、存取效率方面：

堆：char *s1 = "Hellow Word"；是在编译时就确定的。

栈：char s1[] = "Hellow Word"； 是在执行时赋值的；用数组比用指针速度要快一些，由于指针在底层汇编中须要用edx寄存器中转一下。而数组在栈上直接读取。