C++：内存分配方式

C++的内存分配方式是理解C++特征的基础。

首先，我们主要根据《C++ Primer Plus》中的介绍进行一个总结：C++有三种管理数据内存的方式——自动存储、静态存储和动态存储（也称为自由存储空间或堆）。在C++11中还新增了线程存储，这将在后续文章中介绍。本文主要就自动存储、静态存储和动态存储进行归纳整理。

1. 堆和栈

1.1 概念

在具体介绍三类存储方式之前，我们先明确堆和栈的概念：

栈：就像装数据的桶或箱子，它是一种具有后进先出性质的数据结构。
堆：一种经过排序的树形数据结构，每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性，常用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同我们在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放是有顺序的，但是我们想取任意一本时不必像栈一样，先取出前面所有的书，书架这种机制不同于箱子，我们可以直接取出我们想要的书。

1.2 程序的内存分配

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：
1、栈区（stack） —— 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区（heap） —— 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS（操作系统）回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
3、全局区（静态区）（static）—— 全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。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 —— 存放函数体的二进制代码。

可以根据以下代码进行理解：

int  a=0;   全局初始化区    

char *p1;   全局未初始化区    
int  main()    
{    
  int  b; //栈    
  char  s[]="abc"; //栈    
  char  *p2; //栈    
  char  *p3="123456"; //123456/0在常量区，p3在栈上。    

  static int c =0；//全局（静态）初始化区    
  p1 =  (char  *)malloc(10);  //分配得来得10和20字节的区域就在堆区
  p2  = (char  *)malloc(20);       
  strcpy(p3,"123456"); //123456/0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"  优化成一个地方。    
}

2. 三种管理数据内存的方式

2.1 自动存储

在函数内部定义的常规变量使用自动存储空间，被称为自动变量，这意味着他们在所属的函数被调用时自动产生，在该函数结束时消亡。实际上，自动变量是一个局部变量，其作用域为包含它的代码块。

自动变量通常存储在栈中，即：执行该代码块时，其中变量依次加入栈中；而在离开代码块时，将按相反顺序释放这些变量——后进先出（LIFO）。因此，程序执行过程中，栈将不断的增大和缩小。

2.2 静态存储

静态存储是整个程序执行期间都存在的存储方式。其数据位于静态存储区（静态区）。使得变量成为静态变量的方式有两种：1）在函数外部定义它；2）使用static关键字声明变量。

自动存储和静态存储的关键在于：其对于变量的寿命限制不同——变量可能存在于程序的的整个生命周期（静态变量）；也可能仅存在于特定函数被执行时（自动变量）。

例如：

#include <iostream>
 
using namespace std;
 
void display();
 
int main()
{
    display();
    display();
    display();
    display();
    display();
     return 0;
}
 
 
void display() {
    static int counter = 0;
    cout << "display function called " << ++counter << " times." << endl;
}

/*
输出：
    display function called 1 times.
    display function called 2 times.
    display function called 3 times.
    display function called 4 times.
    display function called 5 times.
*/

上例说明：当我们在一个函数中声明一个static的变量的时候（即static 为function scope），那么这个静态变量的 lifetime将开始于函数第一次调用开始，一直到这个Program 运行结束。即函数中的声明并初始化的static变量只执行一次，无论在Program调用多少次，都只执行一次，并该变量保存在heap中。发生修改就可以保存。

2.3 动态存储

new和delete运算符提供了一个比自动变量和静态变量更灵活的方法。其管理一个内存池，在C++中被称为自由存储空间（free store）或堆（heap）。该内存池同用于静态变量和动态变量的内存是分开的。

new和delete使得程序员对变量寿命有更多控制权，甚至可以在一个函数中分配内存，而在另一个函数中释放。因此，数据的生命周期不完全受程序或函数的生存时间控制。

MoCuishle