栈和堆

1   栈

栈是由操作系统在创建线程的时候，系统自动创建，栈是由顶像下分配的， DELPHI 中默认的栈大小是 1M ，这个可以通过 Project->Options->Linker->Max Stack size 来改变其大小。

栈是线程执行代码的地方，操作系统根据系统调度算法来加载执行的代码，另外栈还存放函数的参数值，局部变量。栈的存取是按 4 字节偏移，不会根据需要动态增长，因此超出范围会报栈溢出。

 

2   堆

我们把在栈之外的分配内存都叫在堆上分配内存，堆是由程序员分配释放。在 DELPHI 中是用 GetMem.inc 中的代码来管理堆的，堆中包含许多大小不确定的块。初始状态下，堆仅有一个块，即堆本身。经过一段时间地取用和回收以后，堆中将可能只剩下一些“切割”后残余的“碎片”，且这些碎片可能已经无法再合并。此时，如果一个新的请求大于任何一个碎片，那么就必须再申请一个新的、大的块放在堆中。堆的使用永远是一个“拆东墙补西墙”的过程。

堆的大小是 2G ，在扩展内存模式下能达到 3G 。注意它与数据结构中的堆是两回事，它的分配方式类似于链表，访问“堆”的内容的时候需要先找到这个“堆”，然后再遍历链表，因此“堆”访问会比“栈”慢。

3   哪些在栈中

3.1            获取栈的首尾地址

获取通常情况下的栈地址

在写汇编的时候，我们知道 esp 存放栈顶指针， ebp 存放栈底指针

procedure GetStackAddress(var AStackTop, AStackBottom: Cardinal);

begin

  asm

    mov [eax], esp;     // 栈顶， eax 接收第一个参数

    mov [edx], ebp;     // 栈底， edx 接收第二个参数

  end;

end;

获取异常发生时的栈地址

         在 Windows 下， FS:[4] 存放发生异常时的栈顶指针。

procedure GetStackAddress(var AStackTop, AStackBottom: Cardinal);

begin

  asm

    mov ecx, FS:[4];  //FS:[4] 放置发生异常时的栈信息

    sub ecx, 3;

    mov [eax], eax;   // 栈顶， eax 接收第一个参数

    mov [edx], ebp;   // 栈低， edx 接收第二个参数

  end;

end;

知道了栈的首尾地址之后，我们就可以取出变量地址，然后和栈的地址比较，如果超出栈的范围，则表示变量在堆中。

3.2            基本数据类型（ Integer 、 Cardinal 、 Shortint 、 Smallint 、 Longint 、 Int64 、 Byte 、 Word 、 LongWord 、 Char ）都是在栈中的

基本类型在函数体内分配是在栈中的，如果在类中分配则是在堆中的。另外 Int64 也是在栈中分配的，它具体的分配是偏移 8 字节。我们写下如下测试代码：

procedure TestInt64;

var

  Value: Int64;

  StackTop, StackBottom: Cardinal;

begin

  Value := 10;

  GetStackAddress(StackTop, StackBottom);

  ShowMessage(Format('StackTop: %s, StackBottom: %s; Int64 Address: %s',

    [IntToHex(StackTop, 8), IntToHex(StackBottom, 8), IntToHex(Integer(@Value), 8)]));

end;

我电脑测试显示的信息为 StackTop: 0012F5E0, StackBottom: 0012F628; Int64 Address: 0012F620 ，从上面信息我们可以看出栈底偏 8 字节就是 Value 的地址。

3.3            指针类型是指针在栈中，指针所指向的地址在堆中

指针在函数体内分配，指针的地址是在栈中的，指针的内容是在堆中的。指针如果在类中分配则，指针地址和指针内容都是在堆中的。我们写下如下测试代码：

procedure TestPointer;

var

  APoint: Pointer;

  StackTop, StackBottom: Cardinal;

begin

  GetMem(APoint, 1000);

  GetStackAddress(StackTop, StackBottom);

  ShowMessage(Format('StackTop: %s, StackBottom: %s; Pointer Address: %s; Pointer Content Address: %s',

    [IntToHex(StackTop, 8), IntToHex(StackBottom, 8), IntToHex(Integer(@APoint), 8),

    IntToHex(Integer(APoint), 8)]));

end;

我的电脑测试显示的信息为 StackTop: 0012F568, StackBottom: 0012F5B8; Pointer Address: 0012F5B4; Pointer Content Address: 00A3FD10 ，从上面的信息我们可以栈底偏 4 字节就是指针的地址。

3.4            固定数组在栈中

固定数组在函数体内分配是在栈中的，如果在类中分配则是在堆中的。因此不能函数体内分配超过 1M 大小的固定数组，否则会造成栈溢出。我们写下如下测试代码：

type

  TFixArray = array[0..9] of Integer;

procedure TestFixArray;

var

  FixArray: TFixArray;

  StackTop, StackBottom: Cardinal;

begin

  FixArray[0] := 10;

  GetStackAddress(StackTop, StackBottom);

  ShowMessage(Format('StackTop: %s, StackBottom: %s; Int64 Address: %s',

    [IntToHex(StackTop, 8), IntToHex(StackBottom, 8), IntToHex(Integer(@FixArray[0]), 8)]));

end;

我的电脑测试显示的信息为 StackTop: 0012F550, StackBottom: 0012F5B8; Fix Array Address: 0012F588 ，从上面的信息我们可以看出固定数组是在栈中的，动态数组类似指针，只是动态数组的指针在栈中，动态数组的内容是在堆中的。另外我们从汇编代码也可以看出相同的信息， FixArray[0] := 10 对应的汇编代码是 mov [ebp-$30],$0000000a ， ebp 指向栈底，因此我们可以看出动态数组的内存是在栈中的。

3.5            结构体在栈中

结构体在函数体内分配是在栈中的，在类中分配则是在堆中的，如果结构体内含有 string 等指针类型，则指针的地址在站内，指针的内容是在堆中的。在函数体内分配超过 1M 大小的结构体也会造成栈溢出。我们写下如下测试代码：

type

  TRecord = record

    Value: string;

    Len: Integer;

  end;

procedure TestRecord;

var

  PntRecord: TRecord;

  StackTop, StackBottom: Cardinal;

begin

  PntRecord.Value := 'Test';

  GetStackAddress(StackTop, StackBottom);

  ShowMessage(Format('StackTop: %s, StackBottom: %s; Record Address: %s; Record Pointer Address: %s',

    [IntToHex(StackTop, 8), IntToHex(StackBottom, 8), IntToHex(Integer(@PntRecord), 8),

    IntToHex(Integer(PChar(PntRecord.Value)), 8)]));

end;

我的电脑测试显示的信息为 StackTop: 0012F564, StackBottom: 0012F5B8; Record Address: 0012F5B0; Record Pointer Address: 0045F4B4 ，从上面的信息我们可以看出结构体是在栈中的，结构体指针和指针一样。

4   哪些在堆中

用内存申请函数申请的内存都是在堆中的，如用 New 、 GetMem 、 StrAlloc 、 AllocMem 、 SysGetMem ，哪些自管理类型 string 、动态数组的内容都是在堆中的，下面我们给出结论，测试代码大家可以仿照上面的判断变量是否在栈中的代码编写。

4.1            指针指向的内容是在堆中

4.2            动态数组的内容是在堆中

4.3            String 、 ShortString 、 WideString 的内容是在堆中

4.4            变体 Variant 、 OleVariant 的内容是在堆中

变体类型是一个结构体，它的定义是：

TVarData = packed record

    case Integer of

      0: (VType: TVarType;

          case Integer of

            0: (Reserved1: Word;

                case Integer of

                  0: (Reserved2, Reserved3: Word;

                      case Integer of

                        varSmallInt: (VSmallInt: SmallInt);

                        varInteger:  (VInteger: Integer);

                         varSingle:   (VSingle: Single);

                        varDouble:   (VDouble: Double);

                        varCurrency: (VCurrency: Currency);

                        varDate:     (VDate: TDateTime);

                        varOleStr:   (VOleStr: PWideChar);

                        varDispatch: (VDispatch: Pointer);

                        varError:    (VError: HRESULT);

                        varBoolean:  (VBoolean: WordBool);

                        varUnknown:  (VUnknown: Pointer);

                         varShortInt: (VShortInt: ShortInt);

                        varByte:     (VByte: Byte);

                        varWord:     (VWord: Word);

                        varLongWord: (VLongWord: LongWord);

                        varInt64:    (VInt64: Int64);

                        varString:   (VString: Pointer);

                        varAny:      (VAny: Pointer);

                        varArray:    (VArray: PVarArray);

                        varByRef:    (VPointer: Pointer);

                      );

                  1: (VLongs: array[0..2] of LongInt);

               );

            2: (VWords: array [0..6] of Word);

            3: (VBytes: array [0..13] of Byte);

          );

      1: (RawData: array [0..3] of LongInt);

       end;

         从定义中我们可以看出 varOleStr 、 varString 、 varArray 、 varByRef 都是在堆中的。

5   全局变量在堆中

全局变量的指针地址和指针内容都不是在栈中的，我们把他归类到堆中。

6   栈和堆比较

6.1            栈和堆的管理方式比较

栈：由操作系统自动分配，而且在栈上分配内存是由编译器自动完成的，栈不需要编译器管理，操作系统自动实现申请释放；

堆：由操作系统提供接口，各个编译器实现管理方式，由外部程序申请释放，如果外部程序在程序结束时没有释放，由操作系统强行释放，在 DELPHI 中是用 GetMem.inc 来实现内存管理；

6.2            栈和堆 的初始化比较

栈：分配的内存不会初始化，是一个垃圾值；

堆：分配的内存不会初始化，是一个垃圾值，但是 DELPHI 默认初始化类变量和全局变量；

6.3            栈和堆的申请方式 比较

栈：由系统自动分配，如在函数申明一个局部变量 i: Integer ；编译器会自动在栈中分配内存；

堆：由程序自己管理，需要程序员自己申请，并指明大小；

6.4            堆和栈的效率比较

栈：在栈上分配空间是直接用 add 指令，对 esp 进行移位，例如 add esp,-$44 ，可以在一个指令周期内完成；

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 FreeMem 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。 在堆中 分配内存的时候会用 HeapLock 和 HeapUnlock 加锁，因此在多线程中分配内存是线性的，效率低下；

6.5            栈和堆的大小限制 比较

栈：在 Windows 下栈默认大小是 1M, 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，栈的大小是固定的（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：在 Windows 下默认堆大小是 2GB ，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。

6.6            栈和堆 的超出范围比较

栈：超出栈大小会报栈溢出；

堆：超出堆大小会报 Out Of Memory ；