[c++笔记]#2 程序运行中的内存分析

内存分布

做分析之前首先应该了解内存的分布：

一个由C/C++虚拟内存分为以下几个部分

1. 栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的返回地址，返回值，参数值，局部变量值等。其操作方式类似于数据结构中栈。函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器指令集中，效率很高，但是分配内存容量有限。
2. 堆区（heap） — 一般由程序员分配(new/malloc)释放(delete/free)， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。动态内存生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。
3. 全局区（静态区）—（static）全局变量和静态变量存储是放在一块，初始化全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化全局变量和未初始化静态变量在相邻另一块区域。 程序结束后由系统释放。内存在程序编译时候就已经分配好，这块内存在程序整个运行期间都存在。-->分别是data区，bbs区
4. 文字常量区 —常量字符串就是放在这里。 程序结束后由系统释放-->coment区
5. 程序代码区—存放函数体二进制代码。-->code(text)区
6. 映射区—存储动态链接库以及调用mmap函数进行文件映射

举个例子：

#include <cstring>
int a=0;    //全局初始化区
char *p1;   //全局未初始化区
int main(){
    int b;//栈
    char s[]="abc";   //栈
    char *p2;         //栈
    char *p3="123456";   //123456在常量区，p3在栈上。
    static int c=0;   //全局（静态）初始化区
    p1 = new char[10];
    p2 = new char[20];   //分配得来的10和20个类型为char的区域就在堆区。
    strcpy(p1,"123456");   //123456放在常量区，编译器可能会将它与p3所向"123456"优化成一个地方。
    delete[] p1;
    delete[] p2;
    return 0;
}

我们可以画出下面的图

字符串内存分析

最容易错的是字符串在内存中的位置

const char* arr = "123";
char* brr = "123";
const char crr = "123";
char drr[] = "123";

上面四行代码的区别：

const char* arr = "123";

字符串123保存在常量区，const的作用本来是指arr指向的指不能通过arr修改，但是字符串“123”本来就在常量区，所以加不加const没区别

char* brr = "123";

与上一种一样，因为在常量区，所以不可以通过brr指针去修改

const char crr = "123";

“123”本来是在栈中，但是编译器可能会优化将其放到常量区

char drr[] = "123";

字符串123保存在栈区，可以通过drr去修改

栈和堆的区别

1.申请方式

栈：由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间
堆：需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数，在c++中new

p1 = new char[10];

注意指针本身是在栈中的

2.申请后系统响应

栈：只要栈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闲内存地址链表，当系统收到程序申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中首地址处记录本次分配大小，这样，代码中delete语句才能正确释放本内存空间。另外，由于找到堆结点大小不一定正好等于申请大小，系统会自动将多余那部分重新放入空闲链表中

3.申请大小限制

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展数据结构(栈向下生长)，是一块连续内存区域。这句话意思是栈顶地址和栈最大容量是系统预先规定好，在WINDOWS下，栈大小是2M（也有说是1M，总之是一个编译时就确定常数），如果申请空间超过栈剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得空间较小。

堆：堆是向高地址扩展数据结构（堆向上生长），是不连续内存区域。这是由于系统是用链表来存储空闲内存地址，自然是不连续，而链表遍历方向是由低地址向高地址。堆大小受限于计算机系统中有效虚拟内存。由此可见，堆获得空间比较灵活，也比较大。

4.申请效率比较

栈效率高：栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制。
堆效率相对比较低：堆是由new分配内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

5.堆和栈中存储内容

栈： 在函数调用时，第一个进栈是主函数中后下一条指令（函数调用语句下一条可执行语句）地址，然后是函数各个参数，在大多数C编译器中，参数是由右往左入栈，然后是函数中局部变量。注意静态变量是不入栈。
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存地址，也就是主函数中下一条指令，程序由该点继续运行。

堆：一般是在堆头部用一个字节存放堆大小。堆中具体内容有程序员安排。

6.存取效率比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值；

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定；但是，在以后存取中，在栈上数组比指针所指向字符串(例如堆)快。
比如：

＃include
void main(){
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}

对应汇编代码

# 10: a = c[1];
mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
mov byte ptr [ebp-4],cl
# 11: a = p[1];
mov edx,dword ptr [ebp-14h]
mov al,byte ptr [edx+1]
mov byte ptr [ebp-4],al

第一种在读取时直接就把字符串中元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

小结

堆和栈区别可以用如下比喻来看出：
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（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，他好处是快捷，但自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己口味，而且自由度大。

为什么说在堆上分配内存比在栈上分配内存慢？

　1. 堆空间开辟需要用系统函数，栈上直接修改指针.
　2. 堆空间管理需要系统记帐，栈上空间可以由编译器管理或是保存在某个处理器寄存器中。
　3. 堆空间释放需要系统管理，栈上释放可以直接丢弃。堆空间需要通过栈上指针间接引用，所以访问会慢；

栈中的数据如何放到堆区

这个问题可以直接通过传参的方式，把局部变量的值（或对象） 传递到对象的属性当中，就完成了 “把栈中数据放到堆中”

于是我写出下面的代码：

class String{
private:
    char *str;
    int len;
public:
    String(const char* s);
    String(){}
    ~String();
};
String::String(const char* s){
    len = strlen(s);
    str = new char[len + 1];
    strcpy(str,s);
    cout<<s<<" "<<"object create"<<endl;
}
String::~String(){
    delete[] str;
    cout<<"object delete"<<endl;
}
int main(){
    char s[] = "HelloWorld";
    String *test = new String(s);
    delete test;
    return 0;
}

示意图：

可能出现的问题

这里常常存在的问题是：如果堆区存放的是指向栈区的指针，等到该段函数结束之后，栈区的内容早已被自动释放，如下面的代码

class String{
private:
    char *str;
    int len;
public:
    String(char* s);
    String(){}
    ~String();
};
String::String(char* s){
    str = s;
    cout<<str<<" "<<"object create"<<endl;
}
String::~String(){
    cout<<str<<" "<<"object delete"<<endl;
    delete[] str;

}
String* change(){
    char s[] = "HelloWorld";
    return new String(s);
}
int main(){
    String *test = change();
    delete test;
    return 0;
}

因为采用了

str = s;

这样只是保存了这个字符串在栈上的地址，并没有创建副本

还有可能是出现内存泄漏

根据上文所讲：指针本身是在栈中的，函数体一结束就会释放内存，所以指针就被销毁了，但是在堆中的空间没有释放，这就导致了内存泄漏。所以new之后要记得delete。这是内存泄漏的一个原因。

参考

[1] c++中堆、栈内存分配https://www.cnblogs.com/yyxt/p/4268304.html

[2]java程序调用内存变化过程分析https://blog.csdn.net/Myuhua/article/details/81385609

[3]c++ primer plus (第6版)