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      一文讀懂堆棧、靜態、動態內存的區別和應用(附代碼)

      單片機精講吳鑒鷹 ? 2018-11-01 17:55 ? 次閱讀

      預備知識—程序的內存分配

      一個由C/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分

      棧區(stack)— 由編譯器自動分配釋放,存放函數的參數值,局部變量的值等。其操作方式類似于數據結構中的棧。

      堆區(heap) — 一般由程序員分配釋放,若程序員不釋放,程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似于鏈表。

      全局區(靜態區)(static)—,全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的,初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域, 未初始化的全局變量、未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。 - 程序結束后有系統釋放

      文字常量區 —常量字符串就是放在這里的。程序結束后由系統釋放

      程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

      一個正常的程序在內存中通常分為程序段、數據端、堆棧三部分。程序段里放著程序的機器碼、只讀數據,這個段通常是只讀,對它的寫操作是非法的。數據段放的是程序中的靜態數據。動態數據則通過堆棧來存放。

      在內存中,它們的位置如下:

      +------------------+ 內存低端

      | 程序段 |

      |------------------|

      | 數據段 |

      |------------------|

      | 堆棧 |

      +------------------+ 內存高端

      堆棧是內存中的一個連續的塊。一個叫堆棧指針的寄存器(SP)指向堆棧的棧頂。堆棧的底部是一個固定地址。堆棧有一個特點就是,后進先出。也就是說,后放入的數據第一個取出。它支持兩個操作,PUSH和POP。PUSH是將數據放到棧的頂端,POP是將棧頂的數據取出。

      在高級語言中,程序函數調用、函數中的臨時變量都用到堆棧。為什么呢?因為在調用一個函數時,我們需要對當前的操作進行保護,也為了函數執行后,程序可以正確的找到地方繼續執行,所以參數的傳遞和返回值也用到了堆棧。通常對局部變量的引用是通過給出它們對SP的偏移量來實現的。另外還有一個基址指針(FP,在Intel芯片中是BP),許多編譯器實際上是用它來引用本地變量和參數的。通常,參數的相對FP的偏移是正的,局部變量是負的。

      當程序中發生函數調用時,計算機做如下操作:首先把參數壓入堆棧;然后保存指令寄存器(IP)中的內容,做為返回地址(RET);第三個放入堆棧的是基址寄存器(FP);然后把當前的棧指針(SP)拷貝到FP,做為新的基地址;最后為本地變量留出一定空間,把SP減去適當的數值。

      在函數體中定義的變量通常是在棧上,用malloc, calloc, realloc等分配內存的函數分配得到的就是在堆上。在所有函數體外定義的是全局量,加了static修飾符后不管在哪里都存放在全局區(靜態區),在所有函數體外定義的static變量表示在該文件中有效,不能extern到別的文件用;在函數體內定義的static表示只在該函數體內有效。另外,函數中的"adgfdf"這樣的字符串存放在常量區。

      對比:

      1 性能

      棧:棧存在于RAM中。棧是動態的,它的存儲速度是第二快的。stack

      堆:堆位于RAM中,是一個通用的內存池。所有的對象都存儲在堆中。heap

      2 申請方式

      stack【棧】: 由系統自動分配。 例如,聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為b開辟空間 。

      heap【堆】: 需要程序員自己申請,并指明大小,在c中malloc函數 如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運算符 如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意:p1、p2本身是在棧中的。

      3 申請后系統的響應

      棧【stack】:只要棧的剩余空間大于所申請空間,系統將為程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。

      堆【heap】:首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點,然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除,并將該結點的空間分配給程序;另外,對于大多數系統,會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外,由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小,系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

      4 申請大小的限制

      棧【stack】:在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩余空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。

      堆【heap】:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。

      5 申請效率的比較

      棧【stack】:由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。

      堆【heap】:是由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.

      另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配內存,他不是在堆,也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存,雖然用起來最不方便。但是速度快,也最靈活。

      6 堆和棧中的存儲內容

      棧【stack】:在函數調用時,第一個進棧的是主函數中后的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址,然后是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由右往左入棧的,然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

      當本次函數調用結束后,局部變量先出棧,然后是參數,最后棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。

      堆【heap】:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

      7 存取效率的比較

      char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

      char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

      aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的; 而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的; 但是,在以后的存取中,在棧上的數組比指針所指向的字符串(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;

      }

      對應的匯編代碼

      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

      第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中,而第二種則要先把指針值讀到edx中,在根據edx讀取字符,顯然慢了。

      小結:

      堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出:

      使用棧就象我們去飯館里吃飯,只管點菜(發出申請)、付錢、和吃(使用),吃飽了就走,不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作,他的好處是快捷,但是自由度小。

      使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。


      原文標題:關于堆棧、靜態、動態內存的理解

      文章出處:【微信號:wujianying_danpianji,微信公眾號:單片機精講吳鑒鷹】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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      本文檔的主要內容詳細介紹的是Visual C++教程之C++的基礎知識介紹主要內容包括了:1 類和對....
      發表于 02-15 15:59 ? 54次 閱讀
      Visual C++教程之C++的基礎知識介紹

      C++入門教程之數據類型、運算符和表達式的詳細資料說明

      本文檔的詳細介紹的是C++入門教程之數據類型、運算符和表達式的詳細資料說明。主要內容包括了: 基本....
      發表于 02-15 11:26 ? 29次 閱讀
      C++入門教程之數據類型、運算符和表達式的詳細資料說明

      數據庫教程之異常處理的詳細資料說明

      在實際的應用程序設計中,不可避免地會出現程序錯誤和異常。因此,異常處理是每一種程序設計語言都必須包含....
      發表于 02-14 17:11 ? 42次 閱讀
      數據庫教程之異常處理的詳細資料說明

      數據庫教程之銀行自動操作終端系統的程序開發設計的詳細資料說明

      在本章中,將給大家另外提供一個實例,進一步向大家展示一下如何用C++語言進行程序的開發工作。本章將要....
      發表于 02-14 17:09 ? 144次 閱讀
      數據庫教程之銀行自動操作終端系統的程序開發設計的詳細資料說明

      TCP/IP Lite堆棧連接不一致

      大家好,我能夠成功地加載TCP/IP Lite堆棧并啟動它,現在我可以從VB.NET或VB6應用程序連接到設備,但是連接不一致,...
      發表于 01-28 15:04 ? 62次 閱讀
      TCP/IP Lite堆棧連接不一致

      如何在運行時檢查堆棧和堆使用情況

      大家好, 我正在使用帶SPC5 Studio的SPC560C50L3 MCU。我正在嘗試添加一個庫文件,該文件使用大量堆棧和堆使用動態...
      發表于 01-25 14:16 ? 65次 閱讀
      如何在運行時檢查堆棧和堆使用情況

      數組的值第一個數總是為0是堆棧溢出的問題嗎

      我在棧底定義了一個數組StackOverFlowPtrn[] ,然后執行了一些其他的程序,再檢測這個數組,我發現這個數組的值第一個數總是...
      發表于 01-18 08:27 ? 69次 閱讀
      數組的值第一個數總是為0是堆棧溢出的問題嗎

      是否有針對SDK 2.2.3的勘誤/補丁的編譯列表?

      我們將重述使用SDK 2.2.1構建的20736S設計,并計劃更新SDK 2.2.3以利用堆棧中的改進。 是否存在2.2.3或任何應添加的補丁...
      發表于 01-08 14:13 ? 153次 閱讀
      是否有針對SDK 2.2.3的勘誤/補丁的編譯列表?

      從STM下拉列表中選擇最小化代碼大小優化選項時,堆棧上的推送機制失敗

      大家好, 我面臨著STM8的cosmic編譯器版本4.4.2的一些問題。我見過以下運行時問題。 我們已經看到一個函數有一...
      發表于 12-20 16:45 ? 84次 閱讀
      從STM下拉列表中選擇最小化代碼大小優化選項時,堆棧上的推送機制失敗

      怎么獲得當前的字符串堆棧調用堆棧?

      您好,我希望能夠將當前調用堆棧打印到UART。有什么方法可以獲得當前的字符串堆棧調用堆棧?例如:“主-gt;AuxiLARTI...
      發表于 12-20 16:29 ? 140次 閱讀
      怎么獲得當前的字符串堆棧調用堆棧?

      BT堆棧上下文切換

      您好! @ MDL 我使用WICD SDK 3.7與BCM943131 WiFi/BT組合芯片。 我們有一個基于Fielrtos的OS,正在啟動B...
      發表于 12-17 16:30 ? 96次 閱讀
      BT堆棧上下文切換

      是否有可能在運行時或編譯期間更改預分配的堆棧和堆大小

      大家好, 我正在使用SPC560C50L3控制器并使用UDE STK 4.8軟件加載固件。我想知道是否有可能在運行時或編譯期間更改預...
      發表于 11-30 14:34 ? 227次 閱讀
      是否有可能在運行時或編譯期間更改預分配的堆棧和堆大小

      PIC32MZ EC入門工具包啟用TCP/IP堆棧時LED1和LED2不工作

      HI,一旦我啟用Tab/KED1和DEL2上的TCP/IP堆棧不再工作,ReD3就繼續工作。LED連接到RH0/1/2。根據DS7000...
      發表于 11-23 15:36 ? 230次 閱讀
      PIC32MZ EC入門工具包啟用TCP/IP堆棧時LED1和LED2不工作
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