堆和栈的区别

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。

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 。

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、  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

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。

} 

三    堆和栈的理论知识

3.1       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char *p2=new char[10];//

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

3.2        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：

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 free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。

3.3       申请大小的限制

栈：

不同的编译系统有不同的类型，例如：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。

3.4       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。

3.5       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。

3.6       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。

四    实例

C 语言有全局变量(Global)、本地变量(Local)，静态变量(Static)、寄存器变量(Regeister)。每种变量都有不同的分配方式。先来看下面这段代码：

#include<stdio.h>

int g1=0, g2=0,g3=0;

int main()

{

static int s1=0,s2=0, s3=0;

int v1=0, v2=0,v3=0;

 

//打印出各个变量的内存地址

printf("0x%08x\n",&v1);    //打印各局部变量的内存地址

printf("0x%08x\n",&v2);

printf("0x%08x\n\n",&v3);

 

printf("0x%08x\n",&g1);    //打印各全局变量的内存地址

printf("0x%08x\n",&g2);

printf("0x%08x\n\n",&g3);

 

printf("0x%08x\n",&s1);     //打印各静态变量的内存地址

printf("0x%08x\n",&s2);

printf("0x%08x\n\n",&s3);

return 0;

}

打印结果：

0x07fffff8

0x07fffff4

0x07fffff0

 

0x0000a6b0

0x0000a6b4

0x0000a6b8

 

0x0000a6bc

0x0000a6c0

0x0000a6c4

 

输出的结果就是变量的内存地址。其中v1,v2,v3是局部变量，g1,g2,g3是全局变量，s1,s2,s3是静态变量。你可以看到这些变量在内存是连续分布的，但是局部变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里，而全局变量和静态变量分配的内存是连续的。这是因为本地变量和全局/静态变量是分配在不同类型的内存区域中的结果。

对于一个进程的内存空间而言，可以在逻辑上分成3个部份：代码区，静态数据区和动态数据区。

动态数据区一般就是“堆栈”。“栈(stack)”和“堆(heap)”是两种不同的动态数据区，栈是一种线性结构，堆是一种链式结构。进程的每个线程都有私有的“栈”，所以每个线程虽然代码一样，但本地变量的数据都是互不干扰。一个堆栈可以通过“基地址”和“栈顶”地址来描述。

静态数据区——全局变量和静态变量分配在静态数据区，本地变量分配在动态数据区，即堆栈中。程序通过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量