栈(Stack)和堆(Heap)的区别

来源:互联网 发布:阿里云邮 免费邮箱 编辑:程序博客网 时间:2024/04/29 09:36

一、关于栈(Stack)和堆(Heap)的问题:
(Stack):由操作系统分配和回收,函数调用的参数及其内部局部变量就是从这分配。其特点是:分配容量有限且连续比较固定,但不容易引起内存泄露。
(Heap):易称动态分配,是由程序员自己分配和回收的,如程序员用new, malloc分配内存,用delete, free来释放内存。若在程序结束时,未回收则由操作系统来完成回收工作。其特点是:分配容量较大且比较灵活,且内存不要求连续,但容易造成内存泄露;
注:它们都不同于数据结构中的堆栈结构,需要区分理解。补充解释:
操作系统里的堆和栈是指对内存进行操作和管理的一些方式. 数据结构里面的堆实际上指的就是(满足堆性质的)优先Queue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. 堆栈的说法是连起来叫,但是他们还是有很大不同的,连着叫只是由于历史的原因。
简单地讲“堆栈”(栈)就是一个序列,这个序列按照后进先出(POP/PUSH)的规则组织。
“栈”就是整齐的货物一个挨一个地码在一起.整齐的货物就是同样的数据类型.最后码上去的肯定在最上边,最上边的也肯定是最先搬下来. “堆”应该是”堆栈”的一种推广.按照某种优先原则组织的一组数据. “堆”就是一些货物看似杂乱无章地堆在一起,但是可以按某种原则每次取一个出来.”二叉堆”像不像一个堆成金字塔的货堆?
“堆栈”(栈)是”堆”的优先原则的一种特例。
百科全书对数据结构中的“堆”的解释:在计算机科学中,堆是一种经过排序的树形数据结构,每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构,是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小(或最大),且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性,常用来实现优先队列,并用于一些图论算法中。堆也用于排序算法,如堆排序。一般我们平时所说的“堆栈”就是”栈”,千万别跟”堆”混淆了,在英语中很容易将他们区分开来,一个是stack,另一个是heap。堆为heap,堆栈为stack.用new分配(c++中的)的动态内存在heap中,局部变量在stack中。
栈这种机制是受到处理器支持的,有指令对它进行操作的,例如你熟悉的push和pop。但是堆(Heap)是一种比较高级的数据结构,之所以说高级,是因为它需要操作系统支持!也就是说,不同的操作系统有不同的堆管理算法。处理器根本不知道什么是堆,所以你看到没有指令是对堆直接操作的。汇编中没有堆的概念, 要动态内存分配的话, 其实要通过操作系统的支持。堆(Heap)是操作系统建立起来的动态内存管理的逻辑结构,不同的操作系统有不同的实现。与具体的语言没有关系,new只是c++为了可移植性而添加的关键字,不同平台下的c\c++运行库new有不同的实现。
汇编中的栈段相对于其他的段有特别的要求(比如在特权级的要求上),C语言中的栈则比较广义,只要是先进后出的都可以叫栈,而不一定要由SS:ESP或SS:EBP寻址。内存的物理结构都是一样的。无论是堆(Heap)还是栈(Stack)都是逻辑结构,而这些逻辑结构是在不同的层次上划分的,比如在汇编中它分为三个区data area, code area, Stack area这三个区域是由汇编器(assembler)来实现的,而c语言它的编译器(编译器是根据c语言的语法标准来编的,如果你有机会可以看看编译原理)把内存分成了四块除了上面的三块之外还有堆(Heap)(这里堆的管理是由所在的操作系统决定的,与是那种语言无关)。这就好比一个鸡蛋,从不同的角度看,它是不一样的,在不同的层面上看它也是不一样的。

二、预备知识(程序员面试宝典第三版-p179)
2.1、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,程序结束后由系统释放;
4、常量存储区: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。
6、补充:
static全局变量与普通的全局变量有什么区别:
static全局变量只初使化一次,防止在其他文件单元中被引用;
static局部变量和普通局部变量有什么区别:
static局部变量只被初始化一次,下一次依据上一次结果值;
全局变量(外部变量)的说明之前再冠以static 就构成了静态的全局变量。全局变量本身就是静态存储方式, 静态全局变量当然也是静态存储方式。 这两者在存储方式上并无不同。这两者的区别在于非静态全局变量的作用域是整个源程序, 当一个源程序由多个源文件组成时,非静态的全局变量在各个源文件中都是有效的。 而静态全局变量则限制了其作用域, 即只在定义该变量的源文件内有效, 在同一源程序的其它源文件中不能使用它。由于静态全局变量的作用域局限于一个源文件内,只能为该源文件内的函数公用, 因此可以避免在其它源文件中引起错误。
把局部变量改变为静态变量后是改变了它的存储方式即改变了它的生存期。把全局变量改变为静态变量后是改变了它的作用域,限制了它的使用范围。
例子程序
//main.cpp
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
main()
{
int b; //
char s[] = “abc”; //
char *p2; //
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
}
2.2、堆和栈的理论知识
2.2.1、申请方式
栈: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
堆: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。
2.2.2、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。
2.2.3、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。
2.2.4、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: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
2.2.5、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。
2.2.6、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
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。
2.2.7、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。

转自:http://www.yongblog.com/archives/379.html

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