静态存储区、堆和栈的区别

一、内存基本构成

可编程内存在基本上分为这样的几大部分：静态存储区、堆区和栈区。他们的功能不同，对他们使用方式也就不同。

静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。它主要存放静态数据、全局数据和常量。

栈区：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，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的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

堆区：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或delete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。 但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，否则，我们认为发生了内存泄漏现象。

二、三者之间的区别

我们通过代码段来看看对这样的三部分内存需要怎样的操作和不同，以及应该注意怎样的地方。

例一：静态存储区与栈区

char* p = “Hello World1”;

char a[] = “Hello World2”;

p[2] = ‘A’;

a[2] = ‘A’;

char* p1 = “Hello World1;”

这个程序是有错误的，错误发生在p[2] = ‘A’这行代码处，为什么呢，是变量p和变量数组a都存在于栈区的（任何临时变量都是处于栈区的，包括在main（）函数中定义的变量）。但是，数据“Hello World1”和数据“Hello World2”是存储于不同的区域的。

因为数据“Hello World2”存在于数组中，所以，此数据存储于栈区，对它修改是没有任何问题的。因为指针变量p仅仅能够存储某个存储空间的地址，数据“Hello World1”为字符串常量，所以存储在静态存储区。虽然通过p[2]可以访问到静态存储区中的第三个数据单元，即字符‘l’所在的存储的单元。但是因为数据“Hello World1”为字符串常量，不可以改变，所以在程序运行时，会报告内存错误。并且，如果此时对p和p1输出的时候会发现p和p1里面保存的地址是完全相同的。换句话说，在数据区只保留一份相同的数据（见图1－1）。

例二：栈区与堆区

char* f1()

{

char* p = NULL;

char a;

p = &a;

return p;

}

char* f2()

{

char* p = NULL:

p =(char*) new char[4];

return p;

}

这两个函数都是将某个存储空间的地址返回，二者有何区别呢？f1()函数虽然返回的是一个存储空间，但是此空间为临时空间。也就是说，此空间只有短暂的生命周期，它的生命周期在函数f1()调用结束时，也就失去了它的生命价值，即：此空间被释放掉。所以，当调用f1()函数时，如果程序中有下面的语句：

char* p ;

p = f1();

*p = ‘a’;

此时，编译并不会报告错误，但是在程序运行时，会发生异常错误。因为，你对不应该操作的内存（即，已经释放掉的存储空间）进行了操作。但是，相比之下，f2()函数不会有任何问题。因为，new这个命令是在堆中申请存储空间，一旦申请成功，除非你将其delete或者程序终结，这块内存将一直存在。也可以这样理解，堆内存是共享单元，能够被多个函数共同访问。如果你需要有多个数据返回却苦无办法，堆内存将是一个很好的选择。但是一定要避免下面的事情发生：

void f()

{

…

char * p;

p = (char*)new char[100];

…

}

这个程序做了一件很无意义并且会带来很大危害的事情。因为，虽然申请了堆内存，p保存了堆内存的首地址。但是，此变量是临时变量，当函数调用结束时p变量消失。也就是说，再也没有变量存储这块堆内存的首地址，我们将永远无法再使用那块堆内存了。但是，这块堆内存却一直标识被你所使用（因为没有到程序结束，你也没有将其delete，所以这块堆内存一直被标识拥有者是当前您的程序），进而其他进程或程序无法使用。我们将这种不道德的“流氓行为”（我们不用，却也不让别人使用）称为内存泄漏。这是我们C++程序员的大忌！！请大家一定要避免这件事情的发生。

总之，对于堆区、栈区和静态存储区它们之间最大的不同在于，栈的生命周期很短暂。但是堆区和静态存储区的生命周期相当于与程序的生命同时存在（如果您不在程序运行中间将堆内存delete的话），我们将这种变量或数据成为全局变量或数据。但是，对于堆区的内存空间使用更加灵活，因为它允许你在不需要它的时候，随时将它释放掉，而静态存储区将一直存在于程序的整个生命周期中。

希望大家记住下面的规则：

      【规则1】用malloc 或new 申请内存之后，应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL 的内存。
     【规则2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
     【规则3】避免数组或指针的下标越界，特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
     【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
     【规则5】用free 或delete 释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。

堆与栈的讨论：
管理方式：
   堆中资源由程序员控制（容易产生memory leak）。
   栈资源由编译器自动管理，无需手工控制。

系统响应：
   对于堆，应知道系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序申请时，遍历该链表，寻找第一个空间大于申请空间的堆结点，删除空闲结点链表中的该结点，并将该结点空间分配给程序（大多数系统会在这块内存空间首地址记录本次分配的大小，这样delete才能正确释放本内存空间，另外系统会将多余的部分重新放入空闲链表中）。
   对于栈，只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统为程序提供内存，否则报异常提示栈溢出。

空间大小：
   堆是不连续的内存区域（因为系统是用链表来存储空闲内存地址，自然不是连续的），堆大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存（32bit系统理论上是4G），所以堆的空间比较灵活，比较大。
   栈是一块连续的内存区域，大小是操作系统预定好的，windows下栈大小是2M（也有是1M，在编译时确定，VC中可设置）。

碎片问题：
   对于堆，频繁的new/delete会造成大量碎片，使程序效率降低。
   对于栈，它是一个先进后出的队列，进出一一对应，不会产生碎片。

生长方向：
   堆向上，向高地址方向增长。
   栈向下，向低地址方向增长。

分配方式：
   堆都是动态分配（没有静态分配的堆）。
   栈有静态分配和动态分配，静态分配由编译器完成（如局部变量分配），动态分配由alloca函数分配，但栈的动态分配的资源由编译器进行释放，无需程序员实现。

分配效率：
   堆由C/C++函数库提供，机制很复杂。所以堆的效率比栈低很多。
   栈是极其系统提供的数据结构，计算机在底层对栈提供支持，分配专门寄存器存放栈地址，栈操作有专门指令