heap与stack的差

本文内容来源于《程序员面试宝典》第三版。

在进行C/C++编程时，经常将操作的内存分以下几个类别：

• 栈区(stack)：由编译器自动分配和释放，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。
• 堆区(heap)：一般由程序员分配和释放(malloc-free, new-delete)，若程序不员不释放，程序结束时可能由操作系统释放，也可以造成内存泄露。注意：它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。
• 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初始化的statoc变量放在一块区域；未初始化的全局变量和未初始化的static变量在相邻的另一个区域。程序结束后由系统释放。
• 文字常量区：常量字符串就放在这里。程序结束后由系由释放。
• 程序代码区：存放在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
  main()
  {
  	int b; //栈
  	char s[] = "abc"; //s在栈内，“abc”在文字常量区
  	char *p2; //栈
  	char *p3 = "123456"; //p3在栈内，"123456"在文字常量区
  	static int c = 0; //全局（静态）初始化区
  	p1  = (char *)malloc(10); //分配而来的10和20字节的区域就在堆区
  	p2 = (char *)malloc(20);
  	strcpy(p1, "123456");//123456放在文字常量区，编译器可能会将它与p3所指向的“123456”优化成一个地方
  }

1. 申请方式不同
   • 栈：由系统自动分配。例如，声明在函数中的一个局部变量int b，系统自动在栈中为b开辟空间。
   • 堆：需要程序员自己申请，并指明大小，在C中用malloc函数，C++中用new。
2. 申请后的系统的响应
   • 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：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，寻找第一个大于申请空间的堆节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节点的空间分配给程序。对于大多数系统，会在这块内存中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete才能正确释放本内存。另外，由于找到的堆节点的大小不一定正好等于申请大小，系统会自动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，栈顶的地址和栈的容量是系统预先定好的，在Windows下，栈的大小是2MB，如果申请空间超过栈的剩余空间，将提示overflow，因此，能从栈获得的空闲空间小。
   • 堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的区域。这是由于系统是用链表存储空闲内存地址，自然是不连续的。而链表的遍历是由低地址向高地址，堆的大小受限于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，但程序员无法控制。
   • 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。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，虽然用起来不方便，但是速度最快，也最灵活。
5. 堆和栈中存储内容：
   • 栈：在函数调用时，第一个进入栈的是主函数的下一条指令（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，然后是函数中的非static局部变量。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按排。
6. 存取效率比较：
   • char s1[] = "aaaaaaaaaaa";
   • char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbb";
   • aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的，而bbbbbbbbbbbbbbbb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）要快。