栈内存与堆内存

 

一、程序在编译的时候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。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限.

2 、堆区（ heap ）— 亦称动态内存分配.程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或delete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存.但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，否则，我们认为发生了内存泄漏现象。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。程序结束后由有系统释放.

4 、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.

l         栈

栈作为一种基本数据结构，我并不感到惊讶，用来实现函数调用，这也司空见惯的作法。直到我试图找到另外一种方式实现递归操作时，我才感叹于它的巧妙。要实现递归操作，不用栈不是不可能，而是找不出比它更优雅的方式。

 

尽管大多数编译器在优化时，会把常用的参数或者局部变量放入寄存器中。但用栈来管理函数调用时的临时变量（局部变量和参数）是通用做法，前者只是辅助手段，且只在当前函数中使用，一旦调用下一层函数，这些值仍然要存入栈中才行。

 

通常情况下，栈向下（低地址）增长，每向栈中PUSH一个元素，栈顶就向低地址扩展，每从栈中POP一个元素，栈顶就向高地址回退。一个有兴趣的问题：在x86平台上，栈顶寄存器为ESP，那么ESP的值在是PUSH操作之前修改呢，还是在PUSH操作之后修改呢？PUSH ESP这条指令会向栈中存入什么数据呢？据说x86系列CPU中，除了286外，都是先修改ESP，再压栈的。由于286没有CPUID指令，有的OS用这种方法检查286的型号。

 

一个函数内的局部变量以及其调用下一级函数的参数，所占用的内存空间作为一个基本的单元，称为一个帧(frame)。在gdb里，f 命令就是用来查看指定帧的信息的。在两个frame之间通过还存有其它信息，比如上一层frame的分界地址(EBP)等。

 

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 
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[] = "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： 
＃i nclude 
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，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。

我的补充：栈内存是有生命周期的，堆内存没有生命周期这一说，只能由程序员调用free或者delete释放

 

堆和栈的区别主要分：  
    操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。
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                                               解释2

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    可能许多人对内存分配上的“栈 stack”和“堆 heap”还不是很明白。包括一些科班出身的人也不明白这两个概念。我不想过多的说这两个东西。简单的来讲，stack上分配的内存系统自动释放，heap上分配的内存，系统不释放，哪怕程序退出，那一块内存还是在那里。stack一般是静态分配内存，heap上一般是动态分配内存。  
    由malloc系统函数分配的内存就是从堆上分配内存。从堆上分配的内存一定要自己释放。用free释放，不然就是术语——“内存泄露”（或是“内存漏洞”）—— Memory Leak。于是，系统的可分配内存会随malloc越来越少，直到系统崩溃。还是来看看“栈内存”和“堆内存”的差别吧。 

栈内存分配 
—————-------------------------------------------------- 
char* 
AllocStrFromStack() 
{ 
char pstr[100]; 
return pstr; 
}  
堆内存分配 
—————--------------------------------------------------char* 
AllocStrFromHeap(int len) 
{ 
char *pstr; 
if ( len <= 0 ) return NULL; 
return ( char* ) malloc( len ); 
} 
    对于第一个函数，那块pstr的内存在函数返回时就被系统释放了。于是所返回的char*什么也没有。而对于第二个函数，是从堆上分配内存，所以哪怕是程序退出时，也不释放，所以第二个函数的返回的内存没有问题，可以被使用。但一定要调用free释放，不然就是Memory Leak！ 
    在堆上分配内存很容易造成内存泄漏，这是C/C++的最大的“克星”，如果你的程序要稳定，那么就不要出现Memory Leak。所以，我还是要在这里千叮咛万嘱付，在使用malloc系统函数（包括calloc，realloc）时千万要小心。  
    记得有一个UNIX上的服务应用程序，大约有几百的C文件编译而成，运行测试良好，等使用时，每隔三个月系统就是down一次，搞得许多人焦头烂额，查不出问题所在。只好，每隔两个月人工手动重启系统一次。出现这种问题就是Memery Leak在做怪了，在C/C++中这种问题总是会发生，所以你一定要小心。
我保证，做过许多C/C++的工程的程序员，都会对malloc或是new有些感冒。当你什么时候在使用malloc和new时，有一种轻度的紧张和惶恐的感觉时，你就具备了这方面的修养了。 

    对于malloc和free的操作有以下规则： 
    1) 配对使用，有一个malloc，就应该有一个free。（C++中对应为new和delete） 
    2) 尽量在同一层上使用，不要像上面那种，malloc在函数中，而free在函数外。最好在同一调用层上使用这两个函数。 
    3) malloc分配的内存一定要初始化。free后的指针一定要设置为NULL。 
 
    注：虽然现在的操作系统（如：UNIX和Win2k/NT）都有进程内存跟踪机制，也就是如果你有没有释放的内存，操作系统会帮你释放。但操作系统依然不会释放你程序中所有产生了Memory Leak的内存，所以，最好还是你自己来做这个工作。（有的时候不知不觉就出现Memory Leak了，而且在几百万行的代码中找无异于海底捞针，Rational有一个工具叫Purify，可能很好的帮你检查程序中的Memory Leak