堆和栈

原作者不详，在这里向原作者致敬。

一、预备知识-----程序的内存分配

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为下几个部分

1.  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。

2.  堆区 （heap）----一般是由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。

3.  静态区  （static）----全局变量和静态变量的存储是放在一起的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。（程序结束之后由系统释放）

4.  文字常量区 ----常量字符串就是放在这里的。（程序结束后由系统释放）

5.  程序代码区 ----存放函数体的二进制代码。

示例程序

int a = 0;
char *p1;
main()
{
    int b;    //栈区
    char s[] = "abc";  //栈区
    char *p2;  //栈区
    char *p3 = "123456";  //123456/0 在常量区, p3在栈区
    static int c = 0;  //全局(静态)初始化区
    p1 = (char*) malloc(10);
    p2 = (char*) malloc(20);  //分配得来的10和20 就在堆区
    strcpy(p1, 123456);  //123456/0 放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成同一个内存区域.
}

二、堆和栈的理论知识

2.1 申请方式

stack： 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

heap： 需要程序员自己申请，并指明大小

在 C 中 malloc 函数， 如p1 = (char*) malloc (10);

在 C++中 new 运算符， 如p2 = (char*) new (10);
//注意p1, p2 本身是在栈中的。

2.2 申请后系统的相应

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内存。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，代码这中的delete 语句才能正确的释放奔内存空间。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。

2.3 申请大小的限制

栈：在Windows下，栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈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的空间内存地址的，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，堆获得的内存空间比较灵活，也比较大。

2.4 申请效率的比较

栈: 由系统自动分配，速度较快。但是程序员无法控制。

堆: 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。

2.5 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，参数是由右往左进栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量不进栈。

堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小，堆中具体内容由程序员安排。

2.6 存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaaaaa 是在运行时刻赋值的;

bbbbbbbbbbbbbb 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）快。

比如

#include ""
void main()
{
    char a = 1;
    char c[] = "1234567890";
    char *p = "1234567890";
    a = c[1];
    a = p[1];
    return;
}

对应的汇编代码

10: a = c[1];

00401067 8A 4D F1 mov cl, byte ptr [ebp-0FH]

0040106A 88 3D FC mov byte ptr [ebp-4], cl

11:a = p[1];

0040106D 8B 55 EC mov edx, dword ptr [ebp-14h]

00401070 8A 42 01 mov al, byte ptr [edx+1]

00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4], al

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。

2.7 小结

堆和栈的区别可以用如下的比喻：

使用栈就像我们去饭馆吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、吃饭（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作以及洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度较小。

使用堆就像自己动手做自己喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度较大。