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操作系统笔记

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堆和栈的内存分配

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堆栈概述

  在计算机领域,堆栈是一个不容忽视的概念,堆栈是两种数据结构。堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构,只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。在单片机应用中,堆栈是个特殊的存储区,主要功能是暂时存放数据和地址,通常用来保护断点和现场。

要点:
,优先队列(priority queue);普通的队列是一种先进先出的数据结构(FIFO—First-In/First-Out),元素在队列尾追加,而从队列头删除,(例如:乘车排队,先来的排在前面先上车,后来的就要排的后面后上车; 哎,哎,你怎么插队呢,学没学过队列);在优先队列中,元素被赋予优先级。当访问元素时,具有最高优先级的元素最先取出。优先队列具有最高级先出 (largest-in,first-out)的行为特征。

,先进后出(FILO—First-In/Last-Out)(例如:超市排队结账,大一点的超市收银台都是一段狭长的过道,本来下一个是你了,突然这个收银台说不结了,OK,栈形成了,排在前面的要后出去了)。

一、程序的内存分配

1、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。

2、变量的存储方式


  首先,定义静态变量时如果没有初始化编译器会自动初始化为0.。接下来,如果是使用常量表达式初始化了变量,则编译器仅根据文件内容(包括被包含的头文件)就可以计算表达式,编译器将执行常量表达式初始化。必要时,编译器将执行简单计算。如果没有足够的信息,变量将被动态初始化。请看一下代码:

int global_1=1000;//静态变量外部链接性常量表达式初始化
int global_2;//静态变量外部链接性零初始化
static int one_file_1=1000;//静态变量内部链接性常量表达式初始化
static int one_file_2;//静态变量内部链接性零初始化
int main()
{
static int count_1=1000;//静态变量无链接性常量表达式初始化
static int count_2;//静态变量无链接性零初始化
return 0;
}

  所有的静态持续变量都有下述初始化特征:未被初始化的静态变量的所有位都被设为0。这种变量被称为零初始化。以上代码说明关键字static的两种用法,但含义有些不同:用于局部声明,以指出变量是无链接性的静态变量时,static表示的是存储持续性;而用于代码块外声明时,static表示内部链接性,而变量已经是静态持续性了。有人称之为关键字重载,即关键字的含义取决于上下文。

二、C/C++堆和栈的区别

1.管理方式不同

栈,由编译器自动管理,无需程序员手工控制;堆:产生和释放由程序员控制。

2. 空间大小不同

栈的空间有限;堆内存可以达到4G,。

3. 能否产生碎片不同

栈不会产生碎片,因为栈是种先进后出的队列。堆则容易产生碎片,多次的new/delete
会造成内存的不连续,从而造成大量的碎片。

4. 生长方向不同

堆的生长方式是向上的,栈是向下的。

5. 分配方式不同

堆是动态分配的。栈可以是静态分配和动态分配两种,但是栈的动态分配由编译器释放。

6. 缓存级别不同:

  1)、栈使用的是一级缓存, 他们通常都是被调用时处于存储空间中,调用完毕立即释放;
  2)、堆是存放在二级缓存中,生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定(并不是一旦成为孤儿对象就能被回收)。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些。

7. 分配效率不同

  栈是机器系统提供的数据结构,计算机底层对栈提供支持: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。堆则是由C/C++函数库提供,库函数会按照一定的算法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。
  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。
  栈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。
  无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生。

例子程序

//main.cpp    
  int   a   =   0;   全局初始化区    
  char   *p1;   全局未初始化区    
  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);    
  p2   =   (char   *)malloc(20);    
  分配得来得10和20字节的区域就在堆区。    
  strcpy(p1,   "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。    
  }    

三、java堆和栈的区别

1. 栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方。

与C++不同,Java自动管理栈和堆,程序员不能直接地设置栈或堆。

2. 栈的优势是,存取速度比堆要快,仅次于直接位于CPU中的寄存器。

但缺点是,存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的,缺乏灵活性。另外,栈数据在多个线程或者多个栈之间是不可以共享的,但是在栈内部多个值相等的变量是可以指向一个地址的,详见第3点。堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较慢。

3.Java中的数据类型有两种。

一种是基本类型(primitivetypes), 共有8种,即int,short, long, byte, float, double, boolean, char(注意,并没有string的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如int a= 3; long b = 255L;的形式来定义的,称为自动变量。值得注意的是,自动变量存的是字面值,不是类的实例,即不是类的引用,这里并没有类的存在。如int a= 3; 这里的a是一个指向int类型的引用,指向3这个字面值。这些字面值的数据,由于大小可知,生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面,程序块退出后,字段值就消失了),出于追求速度的原因,就存在于栈中。
另外,栈有一个很重要的特殊性,就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义:

int a=3;
int b=3;

编译器先处理int a= 3;首先它会在栈中创建一个变量为a的内存空间,然后查找有没有字面值为3的地址,没找到,就开辟一个存放3这个字面值的地址,然后将a指向3的地址。接着处理int b= 3;在创建完b的引用变量后,由于在栈中已经有3这个字面值,便将b直接指向3的地址。这样,就出现了a与b同时均指向3的情况。
特别注意的是,这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象,如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态,那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反,通过字面值的引用来修改其值,不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例,我们定义完a与b的值后,再令a=4;那么,b不会等于4,还是等于3。在编译器内部,遇到a=4;时,它就会重新搜索栈中是否有4的字面值,如果没有,重新开辟地址存放4的值;如果已经有了,则直接将a指向这个地址。因此a值的改变不会影响到b的值。
另一种是包装类数据,【如Integer,String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于【堆】中】,Java用new()语句来显示地告诉编译器,在运行时才根据需要动态创建,因此比较灵活,但缺点是要占用更多的时间。 4.String是一个特殊的包装类数据。即可以用String str = new String(“abc”);的形式来创建,也可以用Stringstr = “abc”;的形式来创建(作为对比,在JDK 5.0之前,你从未见过Integer i = 3;的表达式,因为类与字面值是不能通用的,除了String。而在JDK5.0中,这种表达式是可以的!因为编译器在后台进行Integer i = new Integer(3)的转换)。前者是规范的类的创建过程,即在Java中,一切都是对象,而对象是类的实例,全部通过new()的形式来创建。Java中的有些类,如DateFormat类,可以通过该类的getInstance()方法来返回一个新创建的类,似乎违反了此原则。其实不然。该类运用了单例模式来返回类的实例,只不过这个实例是在该类内部通过new()来创建的,而getInstance()向外部隐藏了此细节。那为什么在String str = “abc”;中,并没有通过new()来创建实例,是不是违反了上述原则?其实没有。

4. 关于String str = “abc”的内部工作。

Java内部将此语句转化为以下几个步骤:【String str = “abc”,String str不要连着】
(1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量:String str;
(2)【在【栈】中查找有没有存放值为”abc”的地址,如果没有,则开辟一个存放字面值为”abc”的地址,接着创建一个新的String类的对象o,并将o的字符串值指向这个地址,而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为”abc”的地址,则查找对象o,并返回o的地址。】【上文说数据时存放在堆中,此文说数据存放在栈中】[因为此处不是通过new()创建的啊]
(3)将str指向对象o的地址。
值得注意的是,一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = “abc”;这种场合下,其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用!
为了更好地说明这个问题,我们可以通过以下的几个代码进行验证。

String str1="abc";
String str2="abc";
System.out.println(str1==str2);//true

注意,我们这里并不用str1.equals(str2);的方式,因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号,根据JDK的说明,只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是,str1与str2是否都指向了同一个对象。
  结果说明,JVM创建了两个引用str1和str2,但只创建了一个对象,而且两个引用都指向了这个对象。
我们再来更进一步,将以上代码改成:

String str1="abc";
String str2="abc";
str1="bcd";
System.out.println(str1+","+str2);//bcd,abc
System.out.println(str1==str2);//false

这就是说,赋值的变化导致了类对象引用的变化,str1指向了另外一个新对象!而str2仍旧指向原来的对象。上例中,当我们将str1的值改为”bcd”时,JVM发现在栈中没有存放该值的地址,便开辟了这个地址,并创建了一个新的对象,其字符串的值指向这个地址。
事实上,String类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值,可以,但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象,然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的,但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中,会带有一定的不良影响。
再修改原来代码:

String str1="abc";
String str2="abc";
str1="bcd";
String str3=str1;
System.out.println(str3);//bcd
String str4="bcd";
System.out.println(str1==str4);//true

我们再接着看以下的代码。

String str1 = new String("abc"); 
  String str2 = "abc"; 
  System.out.println(str1==str2); //false
String str1 = "abc"; 
  String str2 = new String("abc"); 
  System.out.println(str1==str2); //false 

创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
以上两段代码说明,只要是用new()来新建对象的,都会在堆中创建,而且其字符串是单独存值的,即使与栈中的数据相同,也不会与栈中的数据共享。

5. 数据类型包装类的值不可修改。

不仅仅是String类的值不可修改,所有的数据类型包装类都不能更改其内部的值。

6. 结论与建议:

(1)我们在使用诸如String str = “abc”;的格式定义类时,总是想当然地认为,我们创建了String类的对象str。担心陷阱!对象可能并没有被创建!唯一可以肯定的是,指向String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象,必须根据上下文来考虑,除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此,更为准确的说法是,我们创建了一个指向String类的对象的引用变量str,这个对象引用变量指向了某个值为”abc”的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。
(2)使用String str = “abc”;的方式,可以在一定程度上提高程序的运行速度,因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于Stringstr = new String(“abc”);的代码,则一概在堆中创建新对象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要创建新对象,从而加重了程序的负担。这个思想应该是享元模式的思想,但JDK的内部在这里实现是否应用了这个模式,不得而知。
(3)当比较包装类里面的数值是否相等时,用equals()方法;当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时,用==。
(4)由于String类的immutable性质,当String变量需要经常变换其值时,应该考虑使用StringBuffer类,以提高程序效率

四、堆和栈的理论知识

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:
需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符
如p2 = new char[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:首先应该知道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delete语句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new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块内存,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,首先进栈的是函数的各个参数,然后是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址;在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈的(为什么是由右往左入栈的?),然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的(存放在静态区)。
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,也就是主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
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: 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,再根据edx读取字符,显然慢了。

7、小结:

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:
使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。