堆内存和栈内存的区别(C++)

堆内存和栈内存的区别(C++)

本文内容学习自:
https://blog.youkuaiyun.com/richerg85/article/details/19175133

分配

  • 栈(stack):由编译器自动分配和释放,存放函数的参数、局部变量、临时变量、函数返回地址等;

  • 堆(heap):一般由程序员分配和释放,如果没有手动释放,在程序结束时会由操作系统自动释放,对于C/C++,要手动释放开辟的堆内存,稍有不慎会有引起内存泄漏的风险。

申请

  • 栈(stack):栈的剩余空间大于所申请的空间,申请可以成功获得内存,否则将报异常提示栈溢出(StackOverflow);

  • 堆(heap):在记录空闲内存地址的链表中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。然后再将多余的那部分重新装入空闲链表中。

大小限制

  • 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。也就是说栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在 Windows下,栈的默认大小是1M,Linux下是8M。不过可以为g++提供参数-Wl,--stack=268435456,将栈空间开到256M大小;

  • 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。

分配效率

  • 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):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。

存储内容

  • 栈(stack):在栈中,第一个进栈的是主函数下一条指令的地址,然后是函数的各个参数,在大多数编译器中,参数是由右往左入栈,然后是函数中的局部变量。注意,静态变量不入栈。出栈则刚好顺序相反。

  • 堆(heap):一般在堆的头部用一个字节存放堆的大小,具体内容由程序员安排。

C++ 中,堆内存栈内存不仅在分配机制生命周期管理上存在差异,它们的地址空间也具有显著区别。这些区别主要体现在地址分配方式、内存布局以及访问效率等方面。 ### 地址分配方式 栈内存的地址分配是由操作系统在程序启动时预先设定的,通常是一个连续的内存块,并且其大小是有限的(例如默认为 2MB)。的地址空间是向下增长的,也就是说,每当一个新的函数被调用时,一个新的帧会被压入顶,指针会向低地址方向移动以腾出空间用于局部变量函数参数等[^2]。 堆内存的地址分配则是动态的,并且其地址空间通常是向高地址方向增长的。堆内存由程序员通过 `new` 或 `malloc` 等操作显式分配,操作系统或运行时库会根据需要调整堆的大小。堆的地址分布不一定是连续的,因为内存分配器可能会在不同的位置找到合适的内存块[^1]。 ### 内存布局 栈内存的地址布局较为简单,通常由操作系统维护,用于存储函数调用过程中的局部变量、函数参数以及返回地址等信息。的地址范围相对较小,但访问速度非常快,因为的地址可以直接通过寄存器进行操作[^1]。 堆内存的地址布局较为复杂,因为它需要支持动态内存分配释放。堆中的内存块可能会被分割成多个小块,也可能因为内存碎片而变得不连续。堆的地址范围较大,适合存储生命周期较长或大小不确定的数据[^2]。 ### 访问效率 栈内存的访问效率非常高,因为它的地址操作由硬件直接支持,压操作都有专门的指令执行。例如,局部变量的访问通常只需要简单的地址偏移计算。 堆内存的访问效率则相对较低,因为动态内存分配释放需要调用库函数(如 `new` 或 `malloc`),并且需要进行复杂的内存管理(如查找合适大小的空闲块、合并相邻的空闲块等)。此外,堆内存的访问通常需要通过指针进行,而指针的间接寻址会带来额外的性能开销[^2]。 ### 地址示例 以下是一个简单的 C++ 示例,展示了堆内存栈内存的地址分配情况: ```cpp #include <iostream> int main() { // 栈内存分配 int stackVar = 10; int stackArray[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 堆内存分配 int* heapVar = new int(20); int* heapArray = new int[5]{6, 7, 8, 9, 10}; // 输出地址 std::cout << "Stack variable address: " << &stackVar << std::endl; std::cout << "Stack array address: " << &stackArray << std::endl; std::cout << "Heap variable address: " << heapVar << std::endl; std::cout << "Heap array address: " << heapArray << std::endl; // 释放堆内存 delete heapVar; delete[] heapArray; return 0; } ``` 从输出中可以看到,栈内存的地址通常集中在较低的地址范围内,并且是连续的;而堆内存的地址则分布在较高的地址范围内,且不一定是连续的[^3]。 ### 总结 堆内存栈内存在地址上的区别主要体现在地址分配方式、内存布局以及访问效率上。栈内存地址由操作系统管理,分配高效且连续;而堆内存地址由运行时库管理,分配灵活但效率较低。理解这些区别有助于编写更高效、更可靠的 C++ 程序。
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