堆(heap)与栈(stack)的区别

亦凉 2022-08-20 13:12 133阅读 0赞

一、预备知识―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][]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，呵呵。  
  
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。 - 程序结束后有系统释放  
  
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。  
  
二、例子程序  
  
这是一个前辈写的，非常详细  
  
//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。  
  
\}  
  
二、堆和栈的理论知识  
  
2.1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][malloc]  
  
如p1 = (char \*)malloc(10);  
  
在C++中用new运算符  
  
如 [p2][] = (char \*)malloc(10);  
  
但是注意p1、p2本身是在栈中的。  
  
2.2  
  
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][Link 1]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。  
  
2.3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][Link 2]。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。  
  
2.4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][Link 3]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快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。  
  
2.5堆和栈中的存储内容  
  
栈： 在函数调用时，第一个进栈的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，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。  
  
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。堆中的具体内容有程序员安排。  
  
2.6存取效率的比较  
  
char [ s1][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：  
  
\#in [cl][]ude  
  
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][cl],byte [ ptr][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，在根据edx读取字符，显然慢了。  
  
2.7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。

[OS]: https://www.baidu.com/s?wd=OS&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[p2]: https://www.baidu.com/s?wd=p2&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[p3]: https://www.baidu.com/s?wd=p3&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[malloc]: https://www.baidu.com/s?wd=malloc%E5%87%BD%E6%95%B0&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[Link 1]: https://www.baidu.com/s?wd=%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[Link 2]: https://www.baidu.com/s?wd=%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%86%85%E5%AD%98&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[Link 3]: https://www.baidu.com/s?wd=%E6%97%A0%E6%B3%95%E6%8E%A7%E5%88%B6&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[s1]: https://www.baidu.com/s?wd=s1&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[cl]: https://www.baidu.com/s?wd=cl&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD
[ptr]: https://www.baidu.com/s?wd=ptr&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYPhf4Pjm3rHfdrHKBuyu-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3En1m4nH6YPjD