C++中管理數據內存的方式

導語

根據用于分配內存的方法,C++有3種管理數據內存的方式:自動存儲滤灯、靜態(tài)存儲和動態(tài)存儲(也叫自由存儲或堆存儲)锨络。以這三種方式分配的數據對象存在時間的長短方面各不相同。下面簡要的介紹各個類型逾滥。

圖片來自互聯網

1.自動存儲

在函數內部定義的常規(guī)變量使用的是自動存儲空間,被稱為自動變量(automatic variable)败匹,這意味著它們在所屬的函數被調用時自動產生寨昙,在該函數結束時自動消亡。
實際上掀亩,自動變量是一個局部變量舔哪,其作用域為包含它的代碼塊,代碼塊時被包含在花括號中的一段代碼槽棍。如果在其中的一個代碼塊中定義了一個變量捉蚤,則該變量僅在程序執(zhí)行該代碼塊中的代碼時存在抬驴。
自動變量存儲在棧中。這意味著執(zhí)行代碼塊時缆巧,其中的變量將依次加入到棧中布持,離開代碼塊時,將按相反的順序釋放這些變量陕悬,這也是棧的特性:后進先出(LIFO)题暖。因此,在程序執(zhí)行的過程中墩莫,棧將不斷的增大和縮小芙委。

2.靜態(tài)存儲

靜態(tài)存儲是整個程序運行過程中都會存在的一種方式逞敷。使變量成為靜態(tài)變量的方式有兩種:一種是聲明變量時使用static修飾符狂秦,另外一種是在函數外面定義它。
自動存儲于靜態(tài)存儲的關鍵在于:這些方法嚴格的控制了變量的生命周期推捐。變量可能存在于程序運行的整個生命周期(靜態(tài)變量)裂问,也可能只是在代碼塊被執(zhí)行時存在(自動變量)。

3.動態(tài)存儲

new 和 delete 關鍵字提供了一種比自動變量和靜態(tài)變量更靈活地方法牛柒。它們管理了一個內存池堪簿,在C++中被稱為自由存儲空間或堆。內存池與靜態(tài)變量和自動變量的內存是分開的皮壁。new 和 delete 能夠在一個函數中分配內存椭更,而在另一個函數中釋放。因此蛾魄,數據的生命周期不完全受程序或函數的生命周期控制虑瀑。與其它常規(guī)變量相比,使用new 和 delete 能讓我們如何使用內存有更大的控制權滴须,內存管理也變得復雜舌狗。在棧中,占用的內存總是連續(xù)的扔水,但 new 和 delete 的相互影響可能導致占用的自由存儲區(qū)不連續(xù)痛侍。

4.五種內存存儲區(qū)(網上有多種說法)

  • 棧:由編譯器在需要的時候分配,在不需要的時候自動清除的變量的存儲區(qū)魔市。里面的變量通常是局部變量主届、函數參數等。

  • 堆:由 new 或 malloc 等分配的內存塊待德,他們的釋放編譯器不去管君丁,由我們的應用程序去控制,一般一個new就要對應一個delete磅网。malloc用free來結束自己的生命周期谈截。如果程序員沒有釋放掉,那么在程序結束后,操作系統(tǒng)會自動回收簸喂。

  • 全局/靜態(tài)存儲區(qū):全局變量和靜態(tài)變量被分配到的內存毙死。

  • 常量存儲區(qū):里面存放的是常量。

  • 代碼區(qū):存放程序的二進制代碼

5.堆和棧的主要區(qū)別

  • 管理方式:棧由編譯器自動管理喻鳄,無需我們手動控制扼倘;堆的釋放工作由我們控制,容易產內存泄露除呵。

  • 碎片問題:對于堆來講再菊,頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續(xù),從而造成大量的碎片颜曾,使程序效率降低纠拔。對于棧來講,則不會存在這個問題泛豪,因為棧是先進后出的隊列稠诲,以至于永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出。

  • 增長方向:對于堆來講诡曙,增長方向是向上的臀叙,也就是向著內存地址增加的方向;對于棧來講价卤,它的增長方向是向下的劝萤,是向著內存地址減小的方向增長。

  • 分配效率:棧是機器系統(tǒng)提供的數據結構慎璧,計算機會在底層對棧提供支持:分配專門的寄存器存放棧的地址床嫌,壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行,這就決定了棧的效率比較高炸卑。堆則是C/C++函數庫提供的既鞠,它的機制是很復雜的,例如為了分配一塊內存盖文,庫函數會按照一定的算法(具體的算法可以參考數據結構/操作系統(tǒng))在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間嘱蛋,如果沒有足夠大小的空間(可能是由于內存碎片太多),就有可能調用系統(tǒng)功能去增加程序數據段的內存空間五续,這樣就有機會分到足夠大小的內存洒敏,然后進行返回。顯然疙驾,堆的效率比棧要低得多凶伙。

    我們可以看到,堆和棧相比它碎,由于大量 new/delete 的使用函荣,容易造成大量的內存碎片显押;由于沒有專門的系統(tǒng)支持,效率很低傻挂;由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換乘碑,內存的申請,代價變得更加昂貴金拒。所以棧在程序中是應用最廣泛的兽肤,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绪抛,返回地址资铡,EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以幢码,我們推薦大家盡量用棧笤休,而不是用堆。雖然棧有如此眾多的好處蛤育,但是由于和堆相比不是那么靈活宛官,有時候分配大量的內存空間,還是用堆好一些瓦糕。

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