C++中管理数据内存的方式

导语

根据用于分配内存的方法，C++有3种管理数据内存的方式：自动存储、静态存储和动态存储（也叫自由存储或堆存储）。以这三种方式分配的数据对象存在时间的长短方面各不相同。下面简要的介绍各个类型。

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1.自动存储

在函数内部定义的常规变量使用的是自动存储空间，被称为自动变量（automatic variable），这意味着它们在所属的函数被调用时自动产生，在该函数结束时自动消亡。
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，代码块时被包含在花括号中的一段代码。如果在其中的一个代码块中定义了一个变量，则该变量仅在程序执行该代码块中的代码时存在。
自动变量存储在栈中。这意味着执行代码块时，其中的变量将依次加入到栈中，离开代码块时，将按相反的顺序释放这些变量，这也是栈的特性：后进先出（LIFO）。因此，在程序执行的过程中，栈将不断的增大和缩小。

2.静态存储

静态存储是整个程序运行过程中都会存在的一种方式。使变量成为静态变量的方式有两种：一种是声明变量时使用static修饰符，另外一种是在函数外面定义它。
自动存储于静态存储的关键在于：这些方法严格的控制了变量的生命周期。变量可能存在于程序运行的整个生命周期（静态变量），也可能只是在代码块被执行时存在（自动变量）。

3.动态存储

new 和 delete 关键字提供了一种比自动变量和静态变量更灵活地方法。它们管理了一个内存池，在C++中被称为自由存储空间或堆。内存池与静态变量和自动变量的内存是分开的。new 和 delete 能够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命周期控制。与其它常规变量相比，使用new 和 delete 能让我们如何使用内存有更大的控制权，内存管理也变得复杂。在栈中，占用的内存总是连续的，但 new 和 delete 的相互影响可能导致占用的自由存储区不连续。

4.五种内存存储区（网上有多种说法）

• 栈：由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清除的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。

• 堆：由 new 或 malloc 等分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。malloc用free来结束自己的生命周期。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。

• 全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到的内存。

• 常量存储区：里面存放的是常量。

• 代码区：存放程序的二进制代码

5.堆和栈的主要区别

• 管理方式：栈由编译器自动管理，无需我们手动控制；堆的释放工作由我们控制，容易产内存泄露。

• 碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出。

• 增长方向：对于堆来讲，增长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的增长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

• 分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

  我们可以看到，堆和栈相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。

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