C++記憶體配置設定方式詳解——堆、棧、自由存儲區、全局/靜态存儲區和常量存儲區

　　棧，就是那些由編譯器在需要的時候配置設定，在不需要的時候自動清除的變量的存儲區。裡面的變量通常是局部變量、函數參數等。在一個程序中，位于使用者虛拟位址空間頂部的是使用者棧，編譯器用它來實作函數的調用。和堆一樣，使用者棧在程式執行期間可以動态地擴充和收縮。

　　堆，就是那些由 new 配置設定的記憶體塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程式去控制，一般一個 new 就要對應一個 delete。如果程式員沒有釋放掉，那麼在程式結束後，作業系統會自動回收。堆可以動态地擴充和收縮。

　　自由存儲區，就是那些由 malloc 等配置設定的記憶體塊，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/靜态存儲區，全局變量和靜态變量被配置設定到同一塊記憶體中，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（初始化的全局變量和靜态變量在一塊區域，未初始化的全局變量與靜态變量在相鄰的另一塊區域，同時未被初始化的對象存儲區可以通過 void* 來通路和操縱，程式結束後由系統自行釋放），在 C++ 裡面沒有這個區分了，他們共同占用同一塊記憶體區。

　　常量存儲區，這是一塊比較特殊的存儲區，他們裡面存放的是常量，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）

　　明确區分堆與棧

　　在 BBS 上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，是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 ]; }

　　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，我們配置設定了一塊堆記憶體，那麼指針 p 呢？他配置設定的是一塊棧記憶體，是以這句話的意思就是：在棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指針 p。在程式會先确定在堆中配置設定記憶體的大小，然後調用 operator new 配置設定記憶體，然後傳回這塊記憶體的首位址，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

　　這裡，我們為了簡單并沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？是 delete p 麼？噢，錯了，應該是 delete []p，這是為了告訴編譯器：我删除的是一個數組，VC6 就會根據相應的 Cookie 資訊去進行釋放記憶體的工作。

　　好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼差別？

　　主要的差別由以下幾點：

　　1、管理方式不同；

　　2、空間大小不同；

　　3、能否産生碎片不同；

　　4、生長方向不同；

　　5、配置設定方式不同；

　　6、配置設定效率不同；

　　管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，釋放工作由程式員控制，容易産生memory leak。

　　空間大小：一般來講在 32 位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是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 是保留在虛拟記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開辟較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。

　　碎片問題：對于堆來講，頻繁的 new/delete 勢必會造成記憶體空間的不連續，進而造成大量的碎片，使程式效率降低。對于棧來講，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，以至于永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧内容已經被彈出，詳細的可以參考資料結構，這裡我們就不再一一讨論了。

　　生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向着記憶體位址增加的方向；對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向着記憶體位址減小的方向增長。

　　配置設定方式：堆都是動态配置設定的，沒有靜态配置設定的堆。棧有2種配置設定方式：靜态配置設定和動态配置設定。靜态配置設定是編譯器完成的，比如局部變量的配置設定。動态配置設定由 malloc 函數進行配置設定，但是棧的動态配置設定和堆是不同的，他的動态配置設定是由編譯器進行釋放，無需我們手工實作。

　　配置設定效率：棧是機器系統提供的資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：配置設定專門的寄存器存放棧的位址，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，例如為了配置設定一塊記憶體，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考資料結構/作業系統）在堆記憶體中搜尋可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于記憶體碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就有機會分到足夠大小的記憶體，然後進行傳回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

　　從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由于沒有專門的系統支援，效率很低；由于可能引發使用者态和核心态的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。是以棧在程式中是應用最廣泛的，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，傳回位址，EBP 和局部變量都采用棧的方式存放。是以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

　　雖然棧有如此衆多的好處，但是由于和堆相比不是那麼靈活，有時候配置設定大量的記憶體空間，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式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，産生以想不到的結果,就算是在你的程式運作過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說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說，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

　　函數内部定義的變量，在程式執行到它的定義處時，編譯器為它在棧上配置設定空間，函數在棧上配置設定的空間在此函數執行結束時會釋放掉，這樣就産生了一個問題: 如果想将函數中此變量的值儲存至下一次調用時，如何實作？ 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通路範圍（使得在此函數中定義的變量，不僅僅受此 函數控制）。需要一個資料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，即要求此成員隐藏在類的内部，對外不可見。

　　static 的内部機制：

　　靜态資料成員要在程式一開始運作時就必須存在。因為函數在程式運作中被調用，是以靜态資料成員不能在任何函數内配置設定空間和初始化。這樣，它的空間配置設定有三個可能的地方，一是作為類的外部接口的頭檔案，那裡有類聲明；二是類定義的内部實作，那裡有類的成員函數定義；三是應用程式的 main(）函數前的全局資料聲明和定義處。

　　靜态資料成員要實際地配置設定空間，故不能在類的聲明中定義（隻能聲明資料成員）。類聲明隻聲明一個類的“尺寸和規格”，并不進行實際的記憶體配置設定，是以在類聲明中寫成定義是錯誤的。它也不能在頭檔案中類聲明的外部定義，因為那會造成在多個使用該類的源檔案中，對其重複定義。

　　static 被引入以告知編譯器，将變量存儲在程式的靜态存儲區而非棧上空間，靜态資料成員按定義出現的先後順序依次初始化，注意靜态成員嵌套時，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：

　　可以節省記憶體，因為它是所有對象所公有的，是以，對多個對象來說，靜态資料成員隻存儲一處，供所有對象共用。靜态資料成員的值對每個對象都是一樣，但它的 值是可以更新的。隻要對靜态資料成員的值更新一次，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。引用靜态資料成員時，采用如下格式：

　　<類名>::<靜态成員名>

　　如果靜态資料成員的通路權限允許的話(即 public 的成員)，可在程式中，按上述格式來引用靜态資料成員。

　　

Ps：

　　(1) 類的靜态成員函數是屬于整個類而非類的對象，是以它沒有this指針，這就導緻了它僅能通路類的靜态資料和靜态成員函數。

　　(2) 不能将靜态成員函數定義為虛函數。

　　(3) 由于靜态成員聲明于類中，操作于其外，是以對其取位址操作，就多少有些特殊，變量位址是指向其資料類型的指針，函數位址類型是一個“nonmember 函數指針”。

　　(4) 由于靜态成員函數沒有 this 指針，是以就差不多等同于 nonmember 函數，結果就産生了一個意想不到的好處：成為一個 callback 函數，使得我們得以将 c++ 和 c-based x window 系統結合，同時也成功的應用于線程函數身上。

　　(5) static 并沒有增加程式的時空開銷，相反她還縮短了子類對父類靜态成員的通路時間，節省了子類的記憶體空間。

　　(6) 靜态資料成員在<定義或說明>時前面加關鍵字 static。

　　(7) 靜态資料成員是靜态存儲的，是以必須對它進行初始化。

　　(8) 靜态成員初始化與一般資料成員初始化不同：

　　初始化在類體外進行，而前面不加 static，以免與一般靜态變量或對象相混淆；

　　初始化時不加該成員的通路權限控制符 private、public；

　　初始化時使用作用域運算符來标明它所屬類；

　　是以我們得出靜态資料成員初始化的格式：

　　<資料類型><類名>::<靜态資料成員名>=<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态變量，以屏蔽父類的影響。這裡有一點需要注意：我們說靜态成員為父類和子類共享，但我們有重複定義了靜态成員，這會不會引起錯誤呢？不會，我們的編譯器采用了一種絕妙的手法：name-mangling 用以生成唯一的标志。