CareerCup What is the difference between a computers heap and it's stack?

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本文详细解释了计算机内存中栈和堆的区别。栈用于存储局部变量和跟踪函数调用顺序，而堆则用于分配动态创建的变量。栈内存随着函数执行结束自动释放，堆内存则需显式释放。此外，栈内存大小固定，而堆内存大小可变。
Physically stack and heap both are allocated on RAM and their implementation varies from language, compiler and run time 

Stack is used for local variables of functions and to track function calling sequences. Heap is used for allocating dynamically created variables using malloc, calloc or new. 
Stack memory is freed whenever the function completes execution but the heap memory needs to be freed explicitly using delete, free or by garbage collector of the language. 

Stack memory of a process is fixed size and heap is variable memory. 

Stack is faster than heap as allocating memory on stack is simpler just moving stack pointer up. 

In case of multi threading, each thread of process will have a different stack but all threads share single heap
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a. What does the name of an array stand for and what is its type? b. How are the elements of an array stored in memory? c. What is pointer arithmetic? d. What is the difference between an array allocated on the stack and an array allocated on the heap? e. What do you need to pay special attention to when using raw arrays? f. When you create an array on the stack, its size must be known at compile time. What about the heap? g. A good goal for software engineering is to avoid code duplication. What is the benefit of this achieving goal? h. What is a template? Is it a real function or a real class? i. When will a function or a class be created from its template? j. Is it okay to invoke a template function without specifying the type in < >用中文翻译并回答
11-08
### 翻译 a. What does the array name represent, and what is its type? b. How are array elements stored in memory? c. What is pointer arithmetic? d. What are the differences between an array allocated on the stack and an array allocated on the heap? e. What special precautions should be taken when using native arrays? f. When creating an array on the stack, its size must be determined at compile time. What about on the heap? g. A good goal in software engineering is to avoid code duplication. What are the benefits of achieving this goal? h. What is a template? Is it a real function or a real class? i. When are functions or classes created from templates? j. Can a template function be called without specifying the type in < >? ### 回答 a. 数组名代表数组首元素的地址，在大多数情况下，它的类型是指向数组元素类型的指针。例如，对于 `int arr[10];`，`arr` 的类型是 `int*`。不过，在 `sizeof` 运算符和取地址运算符 `&` 中，数组名不会退化为指针，`sizeof(arr)` 会返回整个数组的大小（单位是字节），`&arr` 的类型是指向整个数组的指针，即 `int (*)[10]` [^1]。 ```c #include <stdio.h> int main() { int arr[10]; printf("Address of arr: %p\n", (void*)arr); printf("Size of arr: %zu\n", sizeof(arr)); return 0; } ``` b. 数组元素在内存中是连续存储的。对于一维数组，元素按照下标顺序依次存储；对于多维数组，按照行优先（C、C++ 等语言）或列优先（Fortran 等语言）的顺序存储。例如，对于 `int arr[3][2];`，在内存中先存储 `arr[0][0]`，接着是 `arr[0][1]`，然后是 `arr[1][0]` 等。 ```c #include <stdio.h> int main() { int arr[3][2]; for (int i = 0; i < 3; i++) { for (int j = 0; j < 2; j++) { printf("Address of arr[%d][%d]: %p\n", i, j, (void*)&arr[i][j]); } } return 0; } ``` c. 指针算术是指对指针进行加减运算。指针加或减一个整数 `n` 时，指针会向前或向后移动 `n` 个元素的位置，移动的字节数取决于指针所指向的元素类型的大小。例如，对于 `int* p`，`p + 1` 会使指针指向下一个 `int` 类型的元素，移动的字节数是 `sizeof(int)`。 ```c #include <stdio.h> int main() { int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; int* p = arr; printf("Value at p: %d\n", *p); p = p + 2; printf("Value at p + 2: %d\n", *p); return 0; } ``` d. 栈上分配的数组和堆上分配的数组有以下区别： - 生命周期：栈上分配的数组在其所在的代码块结束时自动释放；堆上分配的数组需要手动使用 `free`（C）或 `delete[]`（C++）释放，否则会造成内存泄漏。 - 大小确定：栈上数组的大小必须在编译时确定；堆上数组的大小可以在运行时动态确定。 - 性能：栈上分配和释放速度快，因为只需要移动栈指针；堆上分配和释放涉及内存管理算法，速度相对较慢。 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { // 栈上分配数组 int stack_arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 堆上分配数组 int* heap_arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); if (heap_arr == NULL) { perror("Memory allocation failed"); return 1; } for (int i = 0; i < 5; i++) { heap_arr[i] = i + 1; } free(heap_arr); return 0; } ``` e. 使用原生数组时需要特别注意以下几点： - 数组越界：访问数组元素时要确保下标在合法范围内，否则会导致未定义行为。 - 内存泄漏：如果使用动态分配的数组，要记得在不再使用时释放内存。 - 数组名的退化：在大多数情况下，数组名会退化为指针，可能会导致一些意外的结果。 ```c #include <stdio.h> int main() { int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 数组越界示例，未定义行为 // printf("%d\n", arr[10]); return 0; } ``` f. 在栈上创建数组时，其大小必须在编译时确定。而在堆上创建数组时，其大小可以在运行时动态确定，通过 `malloc`（C）或 `new[]`（C++）函数来分配所需大小的内存。 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int size; printf("Enter the size of the array: "); scanf("%d", &size); int* arr = (int*)malloc(size * sizeof(int)); if (arr == NULL) { perror("Memory allocation failed"); return 1; } for (int i = 0; i < size; i++) { arr[i] = i + 1; } free(arr); return 0; } ``` g. 软件工程中避免代码重复有以下好处： - 提高可维护性：如果代码重复，修改一个功能时需要在多个地方进行修改，容易遗漏。避免代码重复可以减少修改的工作量，降低出错的概率。 - 提高可读性：减少重复代码可以使代码更加简洁，更容易理解和阅读。 - 节省开发时间：避免重复编写相同的代码，开发人员可以将更多的时间用于实现新的功能。 - 降低内存占用：减少重复代码可以降低程序的内存占用，提高程序的性能。 h. 模板是一种泛型编程的工具，它允许编写与类型无关的代码。模板既不是真正的函数也不是真正的类，而是一种生成函数或类的蓝图。模板定义了一组通用的代码结构，可以根据不同的类型参数生成具体的函数或类。 ```c++ #include <iostream> template <typename T> T max(T a, T b) { return (a > b)? a : b; } int main() { int result = max(3, 5); std::cout << "Max: " << result << std::endl; return 0; } ``` i. 当编译器遇到对模板函数或模板类的实例化请求时，会从模板创建函数或类。实例化请求可以是显式的，即明确指定模板参数；也可以是隐式的，编译器根据函数调用时的实参类型自动推导模板参数。 ```c++ #include <iostream> template <typename T> T add(T a, T b) { return a + b; } int main() { // 显式实例化 int result1 = add<int>(3, 5); // 隐式实例化 double result2 = add(3.14, 2.71); std::cout << "Result 1: " << result1 << std::endl; std::cout << "Result 2: " << result2 << std::endl; return 0; } ``` j. 在某些情况下，可以不指定 `<>` 中的类型调用模板函数。编译器可以根据函数调用时的实参类型自动推导模板参数。但如果编译器无法从实参类型推导出模板参数，或者模板函数有多个模板参数且部分参数无法推导，就必须显式指定模板参数。 ```c++ #include <iostream> template <typename T> T square(T a) { return a * a; } template <typename T1, typename T2> void print(T1 a, T2 b) { std::cout << a << " " << b << std::endl; } int main() { // 可以不指定类型 int result = square(5); // 必须指定类型 // print(3, "hello"); // 错误，无法推导 T2 的类型 print<int, const char*>(3, "hello"); return 0; } ```
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