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。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 。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。

//main.cpp
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\0在常量区，p3在栈上
    static int c =0; // 全局（静态）初始化区
    // 分配得来得10和20字节的区域就在堆区
    p1 = (char *)malloc(10);
    p2 = (char *)malloc(20);
    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。

    栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，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释放，无需我们手工实现。

    栈通常是由系统自动分配空间的。只要系统剩余的空间大于程序所申请的空间，那么空间申请操作一般都会成功，否则就会出现缓冲栈溢出的错误。

1). 栈区的分配地址方式是由高地址向低地址扩展。
2). 函数参数变量的地址分配是由右向左的方式进行的。
3). 函数指针存储在另外一个区域，并不是一般的栈区，也不是一般的堆区。
4). 函数变量申请空间的顺序为：按照先参数变量，后函数内的临时变量的顺序来申请空间。
5). 一个函数在调用结束后，所有的临时变量都会由系统释放，并且再次调用该函数时，仍然是从第一次调用的地址开始分配空间。
heap:
    堆 都是动态分配的，没有静态分配的堆，需要程序员自己申请，并指明大小。
    在C中用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。

    堆区的空间分配是由程序管理，而不是由系统管理。堆空间通常是由程序动态申请的。通常操作系统中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，根据某种内存管理算法，寻找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。对于这种申请方式，需要在程序中使用delete语句释放空间，否则容易导致内存泄露。
    堆空间的分配一般都是向高地址扩展，并且具有不连续性。这是由于系统是用链表来管理空闲内存地址的，当然也就不连续了，而系统中链表的遍历方向通常是由低地址向高地址遍历。

 

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,栈是由高地址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：堆是由低地址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，它不是在堆，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。

    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，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，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小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

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
    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。
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
    aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的，字符串实际上是保存到了栈里；而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的，字符串本身存储在常量区。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快。
比如：

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 回收方式

1）堆空间的回收方式
  堆空间通常需要使用free, delete等函数来释放，系统本身不会对堆空间进行回收。
2）栈空间的回收方式
  栈空间通常是在程序结束时由系统回收，或者在函数调用完毕后，由系统自动回收。

2.8 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。

 

1) about stack, system will allocate memory to the instance of object automatically, and to the heap, you must allocate memory to the instance of object with new or malloc manually.
2) when function ends, system will automatically free the memory area of stack, but to the heap, you must free the memory area manually with free or delete, else it will result in memory leak.
3) 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。
4) 堆上分配的内存可以有我们自己决定，使用非常灵活。