堆和栈（计算机内存）

　　　我们这里讲的堆和栈是是程序内存的存储和分配方式，不同于数据结构中的堆和栈。

一．堆栈对比

　　　栈（操作系统）：由编译器自动分配释放 ，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，栈使用的是一级缓存， 他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放

　　　堆（操作系统）： 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，分配方式类似于链表。堆则是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定（并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些

　　　堆（数据结构）：堆可以被看成是一棵树，如：堆排序

　　　栈（数据结构）：一种后进先出的的数据结构

二．程序数据的分配，存储方式

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，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）— 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，分配方式类似于链表。

3、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。

三．内存区域例子程序

int a = 0; 全局初始化区

char *p1; 全局未初始化区

int main()

{

　　　int b; 栈

　　　char s[] = "abc"; 栈

　　　char *p2; 栈

　　　char *p3 = "windyang"; windyang\0在常量区，p3在栈上。

　　　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字节的区域就在堆区。

}

strcpy(p1, "windyang"); windyang\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。

四，堆和栈的区别

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malloc函数，如p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new运算符如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);

　　　但是注意p1、p2本身是在栈中的。

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：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。

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.

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函数调用后的下一条指令（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。

 

6.存取效率的比较

　　　char s1[] = "windyang";是在运行时刻赋值的

　　　char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";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

int main()

{

　　　char a = 1;

　　　char c[] = "wind";

　　　char *p ="yang";

　　　a = c[1];

　　　a = p[1];

　　　return 0;

}

对应的汇编代码

10: a = c[1];

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

0040106A 88 4D 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。

　　　首先，我们举一个例子：void f() { int* p=new int[5]; }这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中

这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：删除的是一个数组，

堆和栈究竟有什么区别？

五．总结

主要的区别由以下几点：

 

   1.管理方式不同：管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

 

   2.空间大小不同：空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，

   3.能否产生碎片：碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出。

   4.生长方向不同：长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

   5.分配方式不同：分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

   6.分配效率不同：分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法和操作系统有关）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

 

　　　从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。

 

　　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果。