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c++ 堆、栈、静态数据区

类内静态成员为什么不能给定义?

定义一个变量则一定会给其开辟一个空间(即使不初始化、赋值也是如此),正如类中的普通成员变量,我仍以整型说明,当其被定义于类中时,就是表明此类需要一个整型的空间,所以每创建一个类对象时,就会给该对象相应的大小。 static变量是存储于全局数据区,与类对象(对象中包括成员变量)的存储位置并不相同,所以在类中不是定义(不给其空间)。

五大内存分区

在C++中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

  • 栈: 就是那些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: 就是那些由new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。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。

  • 自由存储区: 就是那些由malloc等分配的内存块,他和堆是十分相似的,不过它是用free来结束自己的生命的。

  • 全局/静态存储区: 全局变量和静态变量被分配到同一块内存中,在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,在C++里面没有这个区分了,他们共同占用同一块内存区(未初始化的变量都被初始化成0或空串,C中也一样)。

  • 常量存储区: 这是一块比较特殊的存储区,他们里面存放的是常量,不允许修改(当然,你要通过非正当手段也可以修改,而且方法很多)。

明确区分堆与栈

void f() { int* p=new int[5]; }

上面这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到new,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针p呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。

在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用operator new分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中,他在VC6下的汇编代码如下:

00401028 push 14h

0040102A call operator new (00401060)

0040102F add esp,4

00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax

00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]

00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax

这里,我们为了简单并没有释放内存,那么该怎么去释放呢?是delete p么?哦,错了,应该是delete []p,这是为了告诉编译器:我删除的是一个数组,VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

好了,我们回到我们的主题:堆和栈究竟有什么区别?

主要的区别由以下几点:

  1. 管理方式不同;

    对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。

  2. 空间大小不同;

    一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的。

  3. 能否产生碎片不同;

    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,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出。

  4. 生长方向不同;

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

  5. 分配方式不同;

    堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。
    栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。

  6. 分配效率不同;

    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。

从这里我们可以看到,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。

static用来控制变量的存储方式和可见性

函数内部定义的变量,在程序执行到它的定义处时,编译器为它在栈上分配空间,函数在栈上分配的空间在此函数执行结束时会释放掉。

这样就产生了一个问题:

Question

如果想将函数中此变量的值保存至下一次调用时,如何实现?

最容易想到的方法是定义一个全局的变量,但定义为一个全局变量有许多缺点,最明显的缺点是破坏了此变量的访问范围(使得在此函数中定义的变量,不仅仅受此函数控制)。

static的内部机制

静态数据成员要实际地分配空间,故不能在类的声明中定义(只能声明数据成员)。类声明只声明一个类的“尺寸和规格”,并不进行实际的内存分配,所以在类声明中写成定义是错误的。

它也不能在头文件中类声明的外部定义,因为那会造成在多个使用该类的源文件中,对其重复定义。

static被引入以告知编译器,将变量存储在程序的静态存储区而非栈上空间,静态数据成员按定义出现的先后顺序依次初始化,注意静态成员嵌套时,要保证所嵌套的成员已经初始化了。消除时的顺序是初始化的反顺序。

static的优势

可以节省内存,因为它是所有对象所公有的,因此,对多个对象来说,静态数据成员只存储一处,供所有对象共用。 静态数据成员的值对每个对象都是一样,但它的值是可以更新的。只要对静态数据成员的值更新一次,保证所有对象存取更新后的相同的值,这样可以提高时间效率。

(1)类的静态成员函数是属于整个类而非类的对象,所以它没有this指针,这就导致了它仅能访问类的静态数据和静态成员函数。
(2)不能将静态成员函数定义为虚函数。
(3)由于静态成员声明于类中,操作于其外,所以对其取地址操作,就多少有些特殊,变量地址是指向其数据类型的指针,函数地址类型是一个“nonmember函数指针”。
(4)由于静态成员函数没有this指针,所以就差不多等同于nonmember函数,结果就产生了一个意想不到的好处:成为一个callback函数,使得我们得以将C++和C-based X Window系统结合,同时也成功的应用于线程函数身上。
(5)static并没有增加程序的时空开销,相反她还缩短了子类对父类静态成员的访问时间,节省了子类的内存空间。
(6)静态数据成员是静态存储的,所以必须对它进行初始化。
(7)静态成员初始化与一般数据成员初始化不同:

- 初始化在类体外进行,而前面不加static,以免与一般静态变量或对象相混淆;
- 初始化时不加该成员的访问权限控制符private,public等;
  - 初始化时使用作用域运算符来标明它所属类;
- 所以我们得出静态数据成员初始化的格式: <数据类型><类名>::<静态数据成员名>=<值>

(8) 为了防止父类的影响,可以在子类定义一个与父类相同的静态变量,以屏蔽父类的影响。这里有一点需要注意:我们说静态成员为父类和子类共享,但我们有重复定义了静态成员,这会不会引起错误呢?不会,我们的编译器采用了一种绝妙的手法:name-mangling 用以生成唯一的标志。

static的可见性将在以下内容有覆盖

C++变量的存储类

内存中供用户使用的存储空间分为代码区与数据区两个部分。 变量存储在数据区,数据区又可分为静态存储区与动态存储区。

静态存储是指在程序运行期间给变量分配固定存储空间的方式。如全局变量存放在静态存储区中,程序运行时分配空间,程序运行完释放。

动态存储是指在程序运行时根据实际需要动态分配存储空间的方式。 如形式参数存放在动态存储区中,在函数调用时分配空间,调用完成释放。

对于静态存储方式的变量可在编译时初始化,默认初值为O或空字符。对动态存储方式的变量如不赋初值,则它的值是一个不确定的值。

四种存储类

自动(auto)、寄存器(register)、静态(static)及外部(extern)

静态存储类别与外部存储类别变量存放在静态存储区
自动存储类别变量存放在动态存储区
寄存器存储类别直接送寄存器

auto 存储类指明符

用于说明具有局部作用域的变量,它表示变量具有局部(自动)生成期,但由于它是所有局部作用域变量说明的缺省存储类指明符,所以使用得很 少。要注意的是,所有在函数内部定义的变量都是局部变量,函数内部定义的变量其作用域只在函数内部。它的生存期为该函数运行期间,一旦离开这个函数或这个 函数终止,局部变量也随之消失。

register 存储类指明符

当声明了这个指明符后,编译程序将尽可能地为该变量分配CPU内部的寄存器作为变量的存储单元,以加快运行速度。注意,寄存器与存储器是 不同的。寄存器一般在CPU内部,而存储器一般指外部的(比如内存条),CPU内部的寄存器其运算速度是很高的。当寄存器已分配完毕,就自动地分配一个外部的内存。它的作用等价于auto,也只能用于局部变量和函数的参量说明。

static 存储类指明符

表示变量具有静态生成期。 static变量的的特点是它离开了其作用域后,其值不会消失。 当回到该作用域之后又可以继续使用这个static变量的值。

// 利用static变量统计调用函数的次数
#include <iostream> 
using namespace std;

int two(); /*函数原型说明*/
int main()
{
    int a = 0;
    a = two(); /*a的值等于1*/
    a = two(); /*a的值等于2*/
    a = two(); /*a的值等于3*/
    cout << a;

    return 0;
}

int two()
{
    static int b = 0; /*定义了一个局部的static变量*/
    b++;
    return b;
}

extern 存储类指明符

一般用在工程文件中。在一个工程文件中因为有多个程序文件,当某一个变量在一个程序文件中定义了之后,如果在另一个程序文件中予以定义, 就会出现重复定义变量的错误。使用extern存储类型指明符就可以指出在该文件外部已经定义了这个变量。extern变量的作用域是整个程序。

变量存储在内存的什么地方?

  1. 变量可以存储在内存的不同地方,这依赖于它们的生成期。在函数上部定义的变量(全局变量或static外部变量)和在函数内部定义的static变量,其生存期就是程序运行的全过程。这些变量被存储在数据段(Data Segment)中。数据段是在内存中为这些变量留出的一段大小固定的空间,它分为二部分,一部分用来初始化变量,另一部分用来存放未初始化的变量。

  2. 在函数内部定义的auto变量(没有用关键字static定义的变量)的生成期从程序开始执行其所在的程序块代码时开始,到程序离开该程序块时为止。 作为函数参数的变量只在调用该函数期间存在。这些变量被存储在栈(stack)中。栈是内存中的一段空间,开始很小,以后逐渐自动变大,直到达到某个预定义的界限。

  3. 当用malloc等函数给指针分配一个地址空间的时候,这个分配的内存块位于一段名为“堆(heap)”的内存空间中。堆开始时很小,但调用malloc或clloc等内存分配函数时它就会增大。堆可以和数据段或栈共用一个内存段,也可以有它自己的内存段,这完全取决于编译选项和操作系统。与栈相似,堆也有一个增长界限,并且决定这个界限的规则与栈相同。


文章参考: https://www.cnblogs.com/hanyonglu/archive/2011/04/12/2014212.html