起源

之前在知乎上看了一句話，指針是C的精髓，也是初學(xué)者的一個(gè)坎。換句話說，內(nèi)存管理是C的精髓，C/C++可以直接跟OS打交道，從性能角度出發(fā)，開發(fā)者可以根據(jù)自己的實(shí)際使用場景靈活進(jìn)行內(nèi)存分配和釋放。雖然在C++中自C++11引入了smart pointer，雖然很大程度上能夠避免使用裸指針，但仍然不能完全避免，最重要的一個(gè)原因是你不能保證組內(nèi)其他人不適用指針，更不能保證合作部門不使用指針。

那么為什么C/C++中會存在指針呢？

這就得從進(jìn)程的內(nèi)存布局說起。

進(jìn)程內(nèi)存布局

上圖為32位進(jìn)程的內(nèi)存布局，從上圖中主要包含以下幾個(gè)塊：

• 內(nèi)核空間：供內(nèi)核使用，存放的是內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)
• stack：這就是我們經(jīng)常所說的棧，用來存儲自動變量(automatic variable)
• mmap:也成為內(nèi)存映射，用來在進(jìn)程虛擬內(nèi)存地址空間中分配地址空間，創(chuàng)建和物理內(nèi)存的映射關(guān)系
• heap:就是我們常說的堆，動態(tài)內(nèi)存的分配都是在堆上
• bss:包含所有未初始化的全局和靜態(tài)變量，此段中的所有變量都由0或者空指針初始化，程序加載器在加載程序時(shí)為BSS段分配內(nèi)存
• ds:初始化的數(shù)據(jù)塊
  • 包含顯式初始化的全局變量和靜態(tài)變量
  • 此段的大小由程序源代碼中值的大小決定，在運(yùn)行時(shí)不會更改
  • 它具有讀寫權(quán)限，因此可以在運(yùn)行時(shí)更改此段的變量值
  • 該段可進(jìn)一步分為初始化只讀區(qū)和初始化讀寫區(qū)
• text：也稱為文本段
  • 該段包含已編譯程序的二進(jìn)制文件。
  • 該段是一個(gè)只讀段，用于防止程序被意外修改
  • 該段是可共享的，因此對于文本編輯器等頻繁執(zhí)行的程序，內(nèi)存中只需要一個(gè)副本

由于本文主要講內(nèi)存分配相關(guān)，所以下面的內(nèi)容僅涉及到棧(stack)和堆(heap)。

棧

棧一塊連續(xù)的內(nèi)存塊，棧上的內(nèi)存分配就是在這一塊連續(xù)內(nèi)存塊上進(jìn)行操作的。編譯器在編譯的時(shí)候，就已經(jīng)知道要分配的內(nèi)存大小，當(dāng)調(diào)用函數(shù)時(shí)候，其內(nèi)部的遍歷都會在棧上分配內(nèi)存；當(dāng)結(jié)束函數(shù)調(diào)用時(shí)候，內(nèi)部變量就會被釋放，進(jìn)而將內(nèi)存歸還給棧。

class Object {
  public:
    Object() = default;
    // ....
};
void fun() {
  Object obj;
  // do sth
}

在上述代碼中，obj就是在棧上進(jìn)行分配，當(dāng)出了fun作用域的時(shí)候，會自動調(diào)用Object的析構(gòu)函數(shù)對其進(jìn)行釋放。

前面有提到，局部變量會在作用域（如函數(shù)作用域、塊作用域等）結(jié)束后析構(gòu)、釋放內(nèi)存。因?yàn)榉峙浜歪尫诺拇涡蚴莿偤猛耆喾吹?，所以可用到堆棧先進(jìn)后出（first-in-last-out, FILO）的特性，而 C++ 語言的實(shí)現(xiàn)一般也會使用到調(diào)用堆棧（call stack）來分配局部變量（但非標(biāo)準(zhǔn)的要求）。

因?yàn)闂Ｉ蟽?nèi)存分配和釋放，是一個(gè)進(jìn)棧和出棧的過程(對于編譯器只是一個(gè)移動指針的過程)，所以相比于堆上的內(nèi)存分配，棧要快的多。

雖然棧的訪問速度要快于堆，每個(gè)線程都有一個(gè)自己的棧，棧上的對象是不能跨線程訪問的，這就決定了?？臻g大小是有限制的，如果?？臻g過大，那么在大型程序中幾十乃至上百個(gè)線程，光?？臻g就消耗了RAM，這就導(dǎo)致heap的可用空間變小，影響程序正常運(yùn)行。

設(shè)置

在Linux系統(tǒng)上，可用通過如下命令來查看棧大?。?/p>

ulimit -s
10240

在筆者的機(jī)器上，執(zhí)行上述命令輸出結(jié)果是10240(KB)即10m，可以通過shell命令修改棧大小。

ulimit -s 102400

通過如上命令，可以將?？臻g臨時(shí)修改為100m，可以通過下面的命令：

/etc/security/limits.conf

分配方式

靜態(tài)分配

靜態(tài)分配由編譯器完成，假如局部變量以及函數(shù)參數(shù)等，都在編譯期就分配好了。

void fun() {
  int a[10];
}

上述代碼中，a占10 * sizeof(int)個(gè)字節(jié)，在編譯的時(shí)候直接計(jì)算好了，運(yùn)行的時(shí)候，直接進(jìn)棧出棧。

動態(tài)分配

可能很多人認(rèn)為只有堆上才會存在動態(tài)分配，在棧上只可能是靜態(tài)分配。其實(shí)，這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)的，棧上也支持動態(tài)分配，該動態(tài)分配由alloca()函數(shù)進(jìn)行分配。棧的動態(tài)分配和堆是不同的，通過alloca()函數(shù)分配的內(nèi)存由編譯器進(jìn)行釋放，無序手動操作。

特點(diǎn)

• 分配速度快：分配大小由編譯器在編譯器完成
• 不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片：棧內(nèi)存分配是連續(xù)的，以FIFO的方式進(jìn)棧和出棧
• 大小受限：棧的大小依賴于操作系統(tǒng)
• 訪問受限：只能在當(dāng)前函數(shù)或者作用域內(nèi)進(jìn)行訪問

堆

堆（heap）是一種內(nèi)存管理方式。內(nèi)存管理對操作系統(tǒng)來說是一件非常復(fù)雜的事情，因?yàn)槭紫葍?nèi)存容量很大，其次就是內(nèi)存需求在時(shí)間和大小塊上沒有規(guī)律（操作系統(tǒng)上運(yùn)行著幾十甚至幾百個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程可能隨時(shí)都會申請或者是釋放內(nèi)存，并且申請和釋放的內(nèi)存塊大小是隨意的）。

堆這種內(nèi)存管理方式的特點(diǎn)就是自由（隨時(shí)申請、隨時(shí)釋放、大小塊隨意）。堆內(nèi)存是操作系統(tǒng)劃歸給堆管理器（操作系統(tǒng)中的一段代碼，屬于操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理單元）來管理的，堆管理器提供了對應(yīng)的接口_sbrk、mmap_等，只是該接口往往由運(yùn)行時(shí)庫進(jìn)行調(diào)用，即也可以說由運(yùn)行時(shí)庫進(jìn)行堆內(nèi)存管理，運(yùn)行時(shí)庫提供了malloc/free函數(shù)由開發(fā)人員調(diào)用，進(jìn)而使用堆內(nèi)存。

分配方式

正如我們所理解的那樣，由于是在運(yùn)行期進(jìn)行內(nèi)存分配，分配的大小也在運(yùn)行期才會知道，所以堆只支持動態(tài)分配，內(nèi)存申請和釋放的行為由開發(fā)者自行操作，這就很容易造成我們說的內(nèi)存泄漏。

特點(diǎn)

• 變量可以在進(jìn)程范圍內(nèi)訪問，即進(jìn)程內(nèi)的所有線程都可以訪問該變量
• 沒有內(nèi)存大小限制，這個(gè)其實(shí)是相對的，只是相對于棧大小來說沒有限制，其實(shí)最終還是受限于RAM
• 相對棧來說訪問比較慢
• 內(nèi)存碎片
• 由開發(fā)者管理內(nèi)存，即內(nèi)存的申請和釋放都由開發(fā)人員來操作

堆與棧區(qū)別

理解堆和棧的區(qū)別，對我們開發(fā)過程中會非常有用，結(jié)合上面的內(nèi)容，總結(jié)下二者的區(qū)別。

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，釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生memory leak

• 空間大小不同
  • 一般來講在 32 位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到4G的空間，從這個(gè)角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。
  • 對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，一般依賴于操作系統(tǒng)(也可以人工設(shè)置)
• 能否產(chǎn)生碎片不同
  • 對于堆來講，頻繁的內(nèi)存分配和釋放勢必會造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。
  • 對于棧來講，內(nèi)存都是連續(xù)的，申請和釋放都是指令移動，類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的進(jìn)棧和出棧 
• 增長方向不同
  • 對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向
  • 對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長
• 分配方式不同
  • 堆都是動態(tài)分配的，比如我們常見的malloc/new；而棧則有靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種。
  • 靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配，而棧的動態(tài)分配則通過alloca()函數(shù)完成
  • 二者動態(tài)分配是不同的，棧的動態(tài)分配的內(nèi)存由編譯器進(jìn)行釋放，而堆上的動態(tài)分配的內(nèi)存則必須由開發(fā)人自行釋放
• 分配效率不同
  • 棧有操作系統(tǒng)分配專門的寄存器存放棧的地址，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
  • 堆內(nèi)存的申請和釋放專門有運(yùn)行時(shí)庫提供的函數(shù)，里面涉及復(fù)雜的邏輯，申請和釋放效率低于棧

截止到這里，棧和堆的基本特性以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)、使用場景已經(jīng)分析完成，在這里給開發(fā)者一個(gè)建議，能使用棧的時(shí)候，就盡量使用棧，一方面是因?yàn)樾矢哂诙?，另一方面?nèi)存的申請和釋放由編譯器完成，這樣就避免了很多問題。

擴(kuò)展

終于到了這一小節(jié)，其實(shí)，上面講的那么多，都是為這一小節(jié)做鋪墊。

在前面的內(nèi)容中，我們對比了棧和堆，雖然棧效率比較高，且不存在內(nèi)存泄漏、內(nèi)存碎片等，但是由于其本身的局限性(不能多線程、大小受限)，所以在很多時(shí)候，還是需要在堆上進(jìn)行內(nèi)存。

我們先看一段代碼：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
  int a;
  int *p;
  p = (int *)malloc(sizeof(int));
  free(p);
  return 0;
}

上述代碼很簡單，有兩個(gè)變量a和p，類型分別為int和int *，其中，a和p存儲在棧上，p的值為在堆上的某塊地址(在上述代碼中，p的值為0x1c66010)，上述代碼布局如下圖所示：

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!

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