[Linux C编程]堆和栈的概念

堆和栈的概念

一、预备知识——程序的内存分配
1、一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分
（一）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。
（二）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。
（三）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
（四）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

 

（五）程序代码区—存放函数体的二进制代码。
例程：
//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

 

ststic int c = 0;    //全局（静态）初始化区

 

p1 = (char *)malloc(10);   

p2 = (char *)malloc(20);    //分配得来的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
1.申请方式
栈(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。
堆(heap):
由用户申请，并指明大小，在例程中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10);在C++中用new运算符如p2 = (char *)new(10);
但是注意p1、p2本身是在栈中，它们指向的空间在堆中。

2. 申请后系统的响应
栈(stack)：

   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(heap)：

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。

3申请大小的限制
栈(stack)：

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(heap)：

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。

4申请效率的比较：
栈(stack):

由系统自动分配，速度较快，但程序员是无法控制的。
堆(heap):

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.

 

5堆和栈中的存储内容
栈(stack)： 

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(heap)：

一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。

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 0;

}

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。

三、栈和堆的主要区别 
    栈是由编译器在需要时分配的，不需要时自动清除的变量存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。堆是由 malloc()函数（C++语言为 new 运算符）分配的内存块，内存释放由程序员手动控制，在 C 语言为 free 函数完成（C++中为 delete）。

栈和堆的主要区别有以下几点： 
（1）管理方式不同
栈由编译器自动管理，无需程序员手工控制；
堆空间的申请释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏。 

（2）空间大小不同
·栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。

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，当申请的

空间超过栈的剩余空间时，将提示溢出。因此，用户能从栈获得的空间较小。 
·堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。

因为系统是用链表来存储空闲内存地址的，且链表的遍历方向是由低地址向高地址。由此可见，堆获得的空间较灵活，也较大。栈中元素都是一一对应的，不会存在一个内存块从栈中间弹出的情况。 

（3）是否产生碎片
·堆：频繁的 malloc/free（new/delete）势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低（虽然程序在退出后操作系统会对内存进行回收管理）。

·栈：不会存在这个问题。 

（4）增长方向不同
堆的增长方向是向上的，即向着内存地址增加的方向；
栈的增长方向是向下的，即向着内存地址减小的方向。 

（5）分配方式不同
·堆都是程序中由 malloc()函数动态申请分配并由 free()函数释放的；
·栈的分配和释放是由编译器完成的，栈的动态分配由 alloca()函数完成，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行申请和释放的，无需手工实现。

（6）分配效率不同
·栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行。

·堆则是 C 函数库提供的，它的机制很复杂，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大的空间，如 果 没 有足够大的空间（可能是由于内存碎片太多），就有需要操作系统来重新整理内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后返回。显然，堆的效率比栈要低得多。