論C/C++內(nèi)存管理中靜態(tài)區(qū)、棧和堆的相互關(guān)系

火善棟 楊旭東

（1．重慶三峽學(xué)院，重慶萬州 404100；2．重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，重慶萬州 404120）

對(duì)于C/C++程序設(shè)計(jì)的內(nèi)存管理，一般而言，我們可以簡單地把內(nèi)存分為三個(gè)部分：靜態(tài)區(qū)、棧和堆．但是，很多初學(xué)者甚至是一些所謂的老手由于沒有從本質(zhì)上正確理解堆和棧之間的區(qū)別，經(jīng)常把堆和棧混為一團(tuán)，甚至認(rèn)為堆和棧是同一個(gè)概念，這也是他們對(duì)C/C++編程中出現(xiàn)的某些錯(cuò)誤或者某些結(jié)果百思不得其解的一個(gè)重要原因．其實(shí)，堆棧就是棧，而不是堆，堆和棧是兩個(gè)完全不同的概念，堆和棧都有著各自不同的特征．正確理解這三者尤其是堆和棧在內(nèi)存中的分布特點(diǎn)，對(duì)于正確編寫高質(zhì)量的C/C++程序有著至關(guān)重要的作用，本文借助匯編語言低級(jí)化的特點(diǎn)，試圖通過一個(gè)簡單的C++小程序從底層對(duì)其在內(nèi)存中的分布情況及其特征作了比較詳細(xì)的分析和探討，以幫助讀者正確理解這三者之間的聯(lián)系和區(qū)別．

1 實(shí)例分析

下面就通過一個(gè)簡單的C++小程序來詳細(xì)說明靜態(tài)內(nèi)存、棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的內(nèi)在區(qū)別和聯(lián)系，該小程序定義了一個(gè)全局變量dd、一個(gè)靜態(tài)的局部變量aa和一個(gè)用指針p定義的字符串常量（對(duì)應(yīng)于靜態(tài)內(nèi)存）、一個(gè)普通數(shù)組bb[]（對(duì)應(yīng)于棧內(nèi)存）和一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組new int[3]（對(duì)應(yīng)于堆內(nèi)存），然后分別對(duì)其作一些簡單的操作，并在vc6．0環(huán)境下通過反匯編代碼以展示其在內(nèi)存中的分布情況，表1為該c++源程序和反匯編代碼對(duì)照表．從表1中可以看出，static變量aa和全局變量dd、用指針p定義的字符串常量、普通數(shù)組bb[]和動(dòng)態(tài)數(shù)組new int[3]并不是分布在同一塊內(nèi)存區(qū)域中．我們把static變量和用指針定義的字符串常量所分布的區(qū)域成為靜態(tài)區(qū)，動(dòng)態(tài)數(shù)組也就是用new操作符或malloc系列函數(shù)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)到的內(nèi)存區(qū)域稱為堆區(qū)，普通數(shù)組等其它普通局部變量等所分布的區(qū)域稱為棧區(qū)．

當(dāng)某一個(gè)函數(shù)要操作靜態(tài)區(qū)中的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于 static變量或全局變量則直接通過調(diào)用其所在的內(nèi)存地址對(duì)其操作，如示例中9和10代碼片段所示所示，對(duì)于字符串常量則通過調(diào)用其所在的內(nèi)存塊的首地址（該首地址保存在調(diào)用函數(shù)的棧中）對(duì)其操作，如代碼片段8所示；對(duì)于普通數(shù)組和普通的局部變量則直接保存在調(diào)用函數(shù)的棧中并對(duì)其進(jìn)行操作，其過程最為簡單和高效，如代碼片段11和代碼片段8、13和17部分指令所示；對(duì)于動(dòng)態(tài)內(nèi)存，則先要調(diào)用一系列相關(guān)的申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的函數(shù)（大部分反匯編代碼省略），并將所申請(qǐng)到的動(dòng)態(tài)內(nèi)存的首地址通過 EAX返回保存到調(diào)用函數(shù)的棧中，然后通過這個(gè)首地址對(duì)堆中的內(nèi)存和數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如示例中代碼片段13、14、15、16所示，由此可見，這一過程最有復(fù)雜但更加靈活．

表1 C++源代碼和反匯編代碼對(duì)照表

圖1為示例中各個(gè)變量及其所在的內(nèi)存區(qū)域分布結(jié)構(gòu)示意圖（所有內(nèi)存區(qū)域從上到下依次增大）．

說明：從圖1中可以看出，從申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存到最后釋放動(dòng)態(tài)內(nèi)存，在棧中有三個(gè)dword字段同時(shí)存放著堆內(nèi)存的首地址，看似不合理，實(shí)則這是由反匯編代碼內(nèi)部執(zhí)行機(jī)制所造成的．

從圖1中可以看出，棧內(nèi)存數(shù)據(jù)的存放是以ebp指針為基準(zhǔn)向著地址減小的方向存放的，當(dāng)然，從表一中反匯編代碼也可以看出，對(duì)棧內(nèi)數(shù)據(jù)的操作也是以ebp為基準(zhǔn)的；堆區(qū)是以堆內(nèi)存的首地址為基準(zhǔn)向著地址增大的方向存放的；靜態(tài)區(qū)中 static變量是以第一個(gè) static變量（或全局變量）開始向著地址增大的方向存放，而字符串常量則是存放在靜態(tài)區(qū)中另一塊區(qū)域，它與 static變量并不是連續(xù)存放的；字符串常量和堆區(qū)的首地址通過相關(guān)的局部變量保存在調(diào)用函數(shù)的堆棧中．

3 結(jié) 論

從以上分析和說明，可以驗(yàn)證和總結(jié)如下結(jié)論：

靜態(tài)區(qū)、棧和堆分別屬于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中三塊不同的區(qū)域，靜態(tài)區(qū)中的 static變量和全局變量由編譯器在編譯的時(shí)候分配（這從示例代碼的反匯編代碼7和8可以反應(yīng)出來），它與棧并沒有直接的聯(lián)系，這也是靜態(tài)區(qū)的內(nèi)容在整個(gè)程序的生命周期內(nèi)一直能夠存在根本原因，靜態(tài)區(qū)的字符串常量將其首地址保存在調(diào)用函數(shù)的堆棧中，調(diào)用函數(shù)通過這個(gè)首地址對(duì)該字符串進(jìn)行操作．

棧保存局部變量（static局部變量除外），對(duì)棧內(nèi)數(shù)據(jù)的操作和訪問是通過ebp指針來進(jìn)行的．棧上的內(nèi)容只在函數(shù)的范圍內(nèi)存在，當(dāng)函數(shù)運(yùn)行結(jié)束時(shí)，棧內(nèi)存會(huì)自動(dòng)釋放[2]，其特點(diǎn)是簡單執(zhí)行效率高，這也是函數(shù)不能直接返回指向棧內(nèi)存內(nèi)容指針的根本原因；棧內(nèi)的數(shù)據(jù)是按內(nèi)存地址從大到小的順序進(jìn)行存放的．

堆是由malloc系列函數(shù)或new操作符分配到的內(nèi)存，其首地址通過 EAX寄存器保存在操作該堆內(nèi)存的函數(shù)的棧中，調(diào)用函數(shù)通過該首地址對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行操作，其過程比較復(fù)雜；棧內(nèi)存必須通過free或delete函數(shù)進(jìn)行釋放，否則，其數(shù)據(jù)在整個(gè)程序的運(yùn)行過程中一直有效[6]；堆中的數(shù)據(jù)是按內(nèi)存地址從小到大的順序進(jìn)行存放的．

[1]譚文，等.天書夜讀：從匯編語言到 Windows內(nèi)核編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]火善棟.通過匯編語言理解函數(shù)調(diào)用的內(nèi)在機(jī)理[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2010（7）.

[3]呂鳳翥.C++語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]卜艷萍.匯編語言程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5]王曉東.C++程序設(shè)計(jì)簡明教程[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[6]林銳.高質(zhì)量程序設(shè)計(jì)指南——C++/C語言[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.