堆(heap)和栈(stack)的区别

本文详细对比了栈和堆两种内存管理方式的区别,包括申请方式、系统响应、大小限制、效率对比及存储内容等方面,帮助读者深入理解两者的特点及适用场景。
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中用malloc函数.
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。
3申请大小的限制
栈: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: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Virtual Alloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。
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。堆中的具体内容由程序员安排。
### 区别及用法 #### 1. 定义与分配方式 是两种不同的内存区域,用于存储数据的方式不同。 - **** 是由系统自动管理的内存区域,当函数调用时会为其局部变量分配一块连续的空间[^3]。例如,在函数内部声明一个整型变量 `int b`,编译器会在运行时自动为该变量分配一段固定的内存空间于中。 - **** 则需要开发者手动请求内存资源,通常通过动态内存分配函数完成,比如 C 中的 `malloc()` 或者 C++ 的 `new` 运算符来获取指定大小的一块内存[^5]。 #### 2. 生命周期管理 两者的生命周期管理清理机制也有显著差异: - 对于位于 **上的对象**, 当其所在的作用域结束 (即离开当前方法或者代码块),这部分占用的内存会被立即回收而无需任何额外操作[^3]; - 而对于处于 **内的实例**, 开发人员负有显式的释放责任——如果忘记销毁不再使用的对象,则会造成所谓的 “内存泄漏” 现象[^4]。 #### 3. 性能考量 从执行效率角度来看, - 使用 **** 更加高效快捷,因为它的分配过程直接嵌入到了 CPU 指令集里头去做了优化处理; - 反观 ****, 尽管提供了极大的灵活性允许应用程序按需定制复杂的结构体甚至数组等大型数据集合,但由于涉及到更复杂的数据结构调整以及可能引发频繁的小规模片段化等问题,所以相对而言较慢一些. #### 4. 存储容量限制 最后一点值得注意的是关于各自能够承载的最大尺寸方面存在约束条件: - 由于受到硬件寄存器数量等因素的影响, 提供给用户的可用空间往往较小; - 相比之下, 则几乎可以看作是没有上限般广阔(当然实际上还是受限于整个系统的物理RAM总量)[^4]. ```cpp // 示例:如何在C++中分别使用 #include <iostream> class Example { public: int value; void setValue(int v){ this->value = v; } }; void useStack(){ // 创建一个Example类的对象exampleOnStack放在上 Example exampleOnStack; exampleOnStack.setValue(10); std::cout << "Value on Stack: " << exampleOnStack.value << "\n"; } void useHeap(){ // 动态创建一个新的Example类实例exampleOnHeap放到里面 Example* exampleOnHeap = new Example(); (*exampleOnHeap).setValue(20); std::cout << "Value on Heap: " << (*exampleOnHeap).value << "\n"; delete exampleOnHeap; // 记得删除以防止泄露 } int main(){ useStack(); useHeap(); return 0; } ```
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