堆栈与函数调用

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。 
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。

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： 
#include <stdio.h> 
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。

堆和栈的区别主要是： 
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。

深入探讨

1.性能效率

   由于栈内存由系统管理，分配和回收都是使用指令，速度比较快

   堆内存用户通过系统调用来分配，因此会造成运行时间延长，效率、性能下降。另一个大问题就是会造成缺页和内存碎片

2.使用问题

    栈内存由系统管理，自动分配和回收，用户不需要了解内存的管理情况，只是需要注意不能返回局部对象。

   堆内存是用户自己管理的内存，需要自己分配，自己释放，否则会造成段错或者内存泄漏问题。

链接：http://www.cnblogs.com/liangxiufei/archive/2009/03/23/1419960.html

1) 在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，一般使用寄存器来存取，效率很高，但是分配的内存容量有限。
2) 从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete来释放内存。动态内存的生存期由程序员自己决定，使用非常灵活。 
3) 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。 
4) 文字常量分配在文字常量区，程序结束后由系统释放。 
5）程序代码区。

经典实例：（代码来自网络高手，没有找到原作者）

Code 
＃i nclude <string> 

int a=0;    //全局初始化区 
char *p1;   //全局未初始化区 
 void 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所向"123456"优化成一个地方。 
}

 

二 三种内存对象的比较 
　　栈对象的优势是在适当的时候自动生成，又在适当的时候自动销毁，不需要程序员操心；而且栈对象的创建速度一般较堆对象快，因为分配堆对象时，会调用operator new操作，operator new会采用某种内存空间搜索算法，而该搜索过程可能是很费时间的，产生栈对象则没有这么麻烦，它仅仅需要移动栈顶指针就可以了。但是要注意的是，通常栈空间容量比较小，一般是1MB～2MB，所以体积比较大的对象不适合在栈中分配。特别要注意递归函数中最好不要使用栈对象，因为随着递归调用深度的增加，所需的栈空间也会线性增加，当所需栈空间不够时，便会导致栈溢出，这样就会产生运行时错误。 
　　堆对象创建和销毁都要由程序员负责，所以，如果处理不好，就会发生内存问题。如果分配了堆对象，却忘记了释放，就会产生内存泄漏；而如 果已释放了对象，却没有将相应的指针置为NULL，该指针就是所谓的“悬挂指针”，再度使用此指针时，就会出现非法访问，严重时就导致程序崩溃。但是高效的使用堆对象也可以大大的提高代码质量。比如，我们需要创建一个大对象，且需要被多个函数所访问，那么这个时候创建一个堆对象无疑是良好的选择，因为我们通过在各个函数之间传递这个堆对象的指针，便可以实现对该对象的共享，相比整个对象的传递，大大的降低了对象的拷贝时间。另外，相比于栈空间，堆的容量要大得多。实际上，当物理内存不够时，如果这时还需要生成新的堆对象，通常不会产生运行时错误，而是系统会使用虚拟内存来扩展实际的物理内存。
　　静态存储区。所有的静态对象、全局对象都于静态存储区分配。关于全局对象，是在main()函数执行前就分配好了的。其实，在main()函数中的显示代 码执行之前，会调用一个由编译器生成的_main()函数，而_main()函数会进行所有全局对象的的构造及初始化工作。而在main()函数结束之 前，会调用由编译器生成的exit函数，来释放所有的全局对象。比如下面的代码：

void main（void） 
{ 
… …// 显式代码 
}

实际上，被转化成这样：

void main（void） 
{ 
_main（）; //隐式代码，由编译器产生，用以构造所有全局对象 
… … // 显式代码 
… … 
exit（） ; // 隐式代码，由编译器产生，用以释放所有全局对象 
}

　　除了全局静态对象，还有局部静态对象通和class的静态成员，局部静态对象是在函数中定义的，就像栈对象一样，只不过，其前面多了个static关键字。局部静态对象的生命期是从其所在函数第一次被调用，更确切地说，是当第一次执行到该静态对象的声明代码时，产生该静态局部对象，直到整个程序结束时，才销毁该对象。class的静态成员的生命周期是该class的第一次调用到程序的结束。

三 函数调用与堆栈

1)编译器一般使用栈来存放函数的参数，局部变量等来实现函数调用。有时候函数有嵌套调用，这个时候栈中会有多个函数的信息，每个函数占用一个连续的区域。一个函数占用的区域被称作帧（）。同时栈是线程独立的，每个线程都有自己的栈。例如下面简单的函数调用：

另外函数堆栈的清理方式决定了当函数调用结束时由调用函数或被调用函数来清理函数帧，在VC中对函数栈的清理方式由两种：

 参数传递顺序谁负责清理参数占用的堆栈__stdcall从右到左被调函数__cdecl从右到左调用者

2) 有了上面的知识为铺垫，我们下面细看一个函数的调用时堆栈的变化：

代码如下：

 

Code
int Add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

void main()
{
    int *pi = new int(10);
    int *pj = new int(20);
    int result = 0;
    result = Add(*pi,*pj);
    delete pi;
    delete pj;
}

 

对上面的代码，我们分为四步，当然我们只画出了我们的代码对堆栈的影响，其他的我们假设它们不存在，哈哈!

第一，int *pi = new int(10);   int *pj = new int(20);   int result = 0; 堆栈变化如下：

第二，Add(*pi,*pj);堆栈如下：

第三，将Add的结果给result，堆栈如下：

第四，delete pi;    delete pj; 堆栈如下：

第五，当main()退出后，堆栈如下，等同于main执行前，哈哈！