堆和栈的区别

堆和栈的区别

 

一直就搞不清出这个问题，今天上网想起来，随即搜了搜，找到了一些资料。不知源作者是谁。姑且“拿来主义”一下。

 

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） —   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 。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，呵呵。

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。 - 程序结束后有系统释放 

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。

二、例子程序 

这是一个前辈写的，非常详细 

//main.cpp 

#include <stdio.h>

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"; 栈 

char *p2; 栈 

char *p3 = "123456"; 123456\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); 

分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 

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"优化成一个地方。 

} 

 

 

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 = (char *)malloc(10); 

但是注意p1、p2本身是在栈中的。 

 

 

2.2 

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。 

 

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。 

 

 

2.4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VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。 

 

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。堆中的具体内容有程序员安排。 

 

2.6存取效率的比较 

 

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的； 

而bbbbbbbbbbb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： 

＃i nclude 

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 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，在根据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来看出： 

使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。 

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。 

 

 

下面是另一篇，总结的比上面好：

 

堆和栈的联系与区别dd

 

   在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。

 

    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operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：

 

    00401028   push        14h

 

    0040102A   call        operator new (00401060)

 

    0040102F   add         esp,4

 

    00401032   mov         dword ptr [ebp-8],eax

 

    00401035   mov         eax,dword ptr [ebp-8]

 

    00401038   mov         dword ptr [ebp-4],eax

 

    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？澳，错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

 

    好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？ 

 

    主要的区别由以下几点：

 

    1、管理方式不同；

 

    2、空间大小不同；

 

    3、能否产生碎片不同；

 

    4、生长方向不同；

 

    5、分配方式不同；

 

    6、分配效率不同；

 

    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。

 

    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，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：    

 

    打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。

 

注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。

 

    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，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。

 

    生长方向：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。

 

    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。

 

    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（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）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。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。

 

    虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。

 

    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,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的：）