如何判断栈、堆的增长方向？

清疚 2022-09-23 05:58 165阅读 0赞

如何判断栈的增长方向？  
  
对于一个用惯了i386系列机器的人来说，这似乎是一个无聊的问题，因为栈就是从高地址向低地址增长。不过，显然这不是这个问题的目的，既然把这个问题拿出来，问的就不只是i386系列的机器，跨硬件平台是这个问题的首先要考虑到的因素。  
  
在一个物质极大丰富的年代，除非无路可退，否则我们坚决不会使用汇编去解决问题，而对于这种有系统编程味道的问题，C是一个不错的选择。那接下来的问题就是如何用C去解决这个问题。  
  
C在哪里会用到栈呢？稍微了解一点C的人都会立刻给出答案，没错，函数。我们知道，局部变量都存在于栈之中。似乎这个问题立刻就得到了解答，用一个函数声明两个局部变量，然后比较两个变量的地址，这样就可以得到答案。  
  
等一下，怎么比较两个变量的地址呢？  
  
先声明的先入栈，所以，它的第一个变量的地址如果是高的，那就是从上向下增长。“先声明的先入栈”？这个结论从何而来？一般编译器都会这么处理。要是不一般呢？这种看似正确的方法实际上是依赖于编译器的，所以，可移植性受到了挑战。  
  
那就函数加个参数，比较参数和局部变量的位置，参数肯定先入栈。那为什么不能局部变量先入栈？第一反应是怎么可能，但仔细想来又没有什么不可以。所以，这种方法也依赖于编译器的实现。  
  
那到底什么才不依赖于编译器呢？  
  
不妨回想一下，函数如何调用。执行一个函数时，这个函数的相关信息都会出现栈之中，比如参数、返回地址和局部变量。当它调用另一个函数时，在它栈信息保持不变的情况下，会把它调用那个函数的信息放到栈中。  
  
似乎发现了什么，没错，两个函数的相关信息位置是固定的，肯定是先调用的函数其信息先入栈，后调用的函数其信息后入栈。那接下来，问题的答案就浮出了水面。  
  
比如，设计两个函数，一个作为调用方，另一个作为被调用方。被调用方以一个地址（也就是指针）作为自己的入口参数，调用方传入的地址是自己的一个局部变量的地址，然后，被调用方比较这个地址和自己的一个局部变量地址，由此确定栈的增长方向。  
  
给出了一个解决方案之后，我们再回过头来看看为什么之前的做法问题出在哪。为什么一个函数解决不了这个问题。前面这个大概解释了函数调用的过程，我们提到，函数的相关信息会一起送入栈，这些信息就包括了参数、返回地址和局部变量等等，在计算机的术语里，有个说法叫栈帧，指的就是这些与一次函数调用相关的东西，而在一个栈帧内的这些东西其相对顺序是由编译器决定的，所以，仅仅在一个栈帧内做比较，都会有对编译器的依赖。就这个问题而言，参数和局部变量，甚至包括返回地址，都是相同的，因为它们在同一个栈帧内，它们之间的比较是不能解决这个问题的，而它们就是一个函数的所有相关信息，所以，一个函数很难解决这个问题。  
  
好了，既然有了这个了解，显然可以扩展一下前面的解决方案，可以两个栈帧内任意的东西进行比较，比如，各自的入口参数，都可以确定栈的增长方向。  
  
狂想一下，会不会有编译器每次专门留下些什么，等下一个函数的栈帧入栈之后，在把这个留下的东西入栈呢？这倒是个破坏的好方法。如果哪位知道有这么神奇的编译器，不妨告诉我。我们可以把它的作者拉过来打一顿，想折磨死谁啊！

**验证--》**

**1.栈的地址是由高向低增长的.**

**2.堆得地址增长方向是由低到高向上增长的**

(堆栈向下增长是指：

> 如果第一个堆栈数据保存在地址 0x60，则下一个堆栈数据将保存到地址 0x5f
> 
> 相反，如果堆栈向上，则第二个数据将保存到地址 0x61

)

**编译器VS2005，32位位宽的因特尔处理器Intel CPU，X86架构**

验证代码：

\#include <Windows.h>  
\#include "stdio.h"  
  
  
void function(int \*p)  
\{

> int b = 3,c = 0;  
> printf("address of b is %p\\n",&b);  
> printf("address of c is %p\\n",&c);

\}  
  
  
void main()  
\{

> //验证栈的增长方向  
> int a = 5;  
> printf("address of a is %p\\n",&a);  
> function(&a);  
>   
>   
>   
> //验证堆的增长方向  
> int \*p1 = new int\[10\];  
> int \*p2 = new int\[20\];  
>   
> int \*p3 = (int \*)malloc(10);  
> int \*p4 = (int \*)malloc(20);  
>   
>   
>   
> printf("address of p1 is %p\\n",p1);  
> printf("address of p2 is %p\\n",p2);  
>   
> printf("address of p3 is %p\\n",p3);  
> printf("address of p4 is %p\\n",p4);  
> system("pause");  
>   
> if (NULL != p1)  
> \{

> > delete p1;

> \}  
>   
> if (NULL != p2)  
> \{

> > delete p2;

> \}  
>   
> if (NULL != p3)  
> \{

> > free(p3);

> \}  
>   
> if (NULL != p4)  
> \{

> > free(p4);

> \}

运行截图：

显而易见：

**1.main函数的局部变量a是先入栈的，function函数的局部变量 b，c是后入栈的，由运行结果可看出a的地址大于b/c的地址，因此栈地址是由高向低增长的！**

**2.申请的堆内存的顺序为碰p1,p2,p3,p4,其地址是由低到高增长的**

![Center][]

堆栈的设计很巧妙， 堆向上涨，栈往下涨。

这样设计可以使得堆和栈能够充分利用空闲的地址空间。如果栈向上涨的话，我们就必须得指定栈和堆的一个严格分界线，但这个分界线怎么确定呢？平均分？但是有的程序使用的堆空间比较多，而有的程序使用的栈空间比较多。所以就可能出现这种情况：一个程序因为栈溢出而崩溃的时候，其实它还有大量闲置的堆空间呢，但是我们却无法使用这些闲置的堆空间。所以呢，最好的办法就是让堆和栈一个向上涨，一个向下涨，这样它们就可以最大程度地共用这块剩余的地址空间，达到利用率的最大化！！

![Center 1][]

**堆与栈**

** **

堆(heap)和栈(stack)有什么区别??

**简单的可以理解为：**

**heap：是由malloc之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。**

**stack：是自动分配变量，以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少的。**

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

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。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， 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\[\] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char \*s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";