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2011-05-22 15:41:00
原文地址：程序设计的内存分配问题 作者：908416047
一、一般C/C++程序占用的内存主要分为5种
1、栈区（stack）：类似于堆栈，由程序自动创建、自动释放。函数参数、局部变量以及返回点等信息都存于其中。
2、堆区（heap）： 使用自由，不需预先确定大小。多数情况下需要由程序员手动申请、释放。如不释放，程序结束后由操作系统垃圾回收机制收回。
3、全局区/静态区（static）：全局变量和静态变量的存储是区域。程序结束后由系统释放。
4、文字常量区：常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放。
5、程序代码区：既可执行代码。
例：
#include
int quanju;/*全局变量，全局区/静态区（static）*/
void fun(int f_jubu); /*程序代码区*/
int main(void)/**/
{
int m_jubu;/*栈区（stack）*/
static int m_jingtai;/*静态变量，全局区/静态区（static）*/
char *m_zifum,*m_zifuc = "hello";/*指针本身位于栈。指向字符串"hello"，位于文字常量区*/
void (*pfun)(int); /*栈区（stack）*/
pfun=&fun;
m_zifum = (char *)malloc(sizeof(char)*10);/*指针内容指向分配空间，位于堆区（heap）*/
pfun(1);
printf("&quanju : %x\n",&quanju);
printf("&m_jubu : %x\n",&m_jubu);
printf("&m_jingtai: %x\n",&m_jingtai);
printf("m_zifuc : %x\n",m_zifuc);
printf("&m_zifuc : %x\n",&m_zifuc);
printf("m_zifum : %x\n",m_zifum);
printf("&m_zifum : %x\n",&m_zifum);
printf("pfun : %x\n",pfun);
printf("&pfun : %x\n",&pfun);
getch();
return 0;
}
void fun(int f_jubu)
{
static int f_jingtai;
printf("&f_jingtai: %x\n",&f_jingtai);
printf("&f_jubu : %x\n",&f_jubu);/*栈区（stack）,但是与主函数中m_jubu位于不同的栈*/
}
输出结果：
&f_jingtai: 404020
&f_jubu : 22ff40
&quanju : 404070
&m_jubu : 22ff74
&m_jingtai: 404010
m_zifuc : 403000
&m_zifuc : 22ff6c
m_zifum : 3d24e0
&m_zifum : 22ff70
pfun : 4013af
&pfun : 22ff68
分析：
堆区:
m_zifum : 3d24e0
代码区:
pfun : 4013af
局区/静态区（static）:
m_zifuc : 403000
&m_jingtai: 404010
&f_jingtai: 404020
&quanju : 404070
栈区:
&f_jubu : 22ff40 fun函数栈区
&pfun : 22ff68 主函数栈区
&m_zifuc : 22ff6c
&m_zifum : 22ff70
&m_jubu : 22ff74
二、堆和栈
1申请方式
stack:
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
heap:
需要程序员手动申请，并指明大小，在c中，有malloc函数完成
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在栈中的。
2 申请后系统的响应
栈：只要栈的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：大多数操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的free函数才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
3申请大小的限制
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
4申请效率的比较：
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆是由程序员手动分配的内存，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.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。
5堆和栈中的存储内容
栈： 在函数调用时，第一个进栈的是函数调用语句的下一条可执行语句的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。 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的地址，也就是函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。
6存取效率的比较
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(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;
}
对应的汇编代码
: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
: 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
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器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，显然慢了一些。
2 内存对齐问题
一、内存对齐的原因
大部分的参考资料都是如是说的：
1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
2、性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。
二、对齐规则
每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。
规则：
1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员
自身长度中，比较小的那个进行。
2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。
3、结合1、2可推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。
三、试验
下面我们通过一系列例子的详细说明来证明这个规则
编译器：GCC 3.4.2、VC6.0
平台：Windows XP
典型的struct对齐
struct定义：
#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack(n)
首先确认在试验平台上的各个类型的size，经验证两个编译器的输出均为：
sizeof(char) = 1
sizeof(short) = 2
sizeof(int) = 4
试验过程如下：通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”，然后察看sizeof(struct test_t)的值。
1、1字节对齐(#pragma pack(1))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 8 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(1)
struct test_t {
int a; /* 长度4 > 1 按1对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 > 1 按1对齐；起始offset=5 5%1=0；存放位置区间[5,6] */
char d; /* 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7] */
};
#pragma pack()
成员总大小=8
2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 8 /* 8%1=0 */ [注1]
2、2字节对齐(#pragma pack(2))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 10 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(2)
struct test_t {
int a; /* 长度4 > 2 按2对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 2 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 = 2 按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 2 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 10 /* 10%2=0 */
3、4字节对齐(#pragma pack(4))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(4)
struct test_t {
int a; /* 长度4 = 4 按4对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 4 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 < 4 按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 4 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */
4、8字节对齐(#pragma pack(8))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(8)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 8 按4对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 8 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 < 8 按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 8 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */
5、16字节对齐(#pragma pack(16))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(16)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 16 按4对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 16 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 < 16 按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 16 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 16) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */
8字节和16字节对齐试验证明了“规则”的第3点：“当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果”。
感谢原创所做出的贡献！
转自：http://blog.csdn.net/cuibo1123/archive/2008/06/14/2547442.aspx
