堆和栈的区别

(heap)和堆栈(stack)有什么区别

 

heap:是由malloc之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。

stack:是自动分配变量,以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少的。

 

heap:  例如malloc new出来的东西用指针指向了它,所指的地方就是heap

stack: 就是我们平时所说的局部变量

 

频繁使用heap 会产生内存碎片,那么,内存碎片是什么呢?

那个是OS的事情。任何OS都只能避免内存碎片的出现,但几乎是不可能阻止的。

 

我理解是这样的:

1、你申请了一个4长度的内存。

2、你又申请了一个5长度的内存。

3、你释放了1申请的4长度的内存。

4、你申请>4长度的内存。因为>4,所以不会分配给前面的4个长度中的内存,那4个长度的内存就可以说是内存碎片。

 

OS的各种内存调度算法可以在不同程度上避免内存碎片的出现,但是都不可能阻止。优秀的程序员,会巧妙的安排程序的空间,尽量避免内存碎片的出现。

 

一般的情况是,不用考虑,专注考虑自己的程序就好了。

按照堆栈的先入后出原则,即先申请的后释放原则可以有效地避免在堆中产生碎片,这是程序员应当注意的。

 

栈区中的局部数据占有的空间在函数结束后会自动释放,而堆中的要由程序员手动释放(JavaC# 中有垃圾收集机制,由系统负责在适当的时候回收)。另外栈中空间的分配一般在编译时就知道大小了,而如果要在运行时分配空间,就要使用堆了。

 

stack在编译的时候就由编译器指定了大小,所以在使用大量内存的时候,最好不要在stack中申请,容易(栈)空间不足导致程序运行中产生非常奇怪的错误,特别是多线程的程序。堆是运行是自由分配的。

 

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
int a = 0; 
全局初始化区

char *p1; 
全局未初始化区

main()
{
  int b;                        //

  char s[] = "abc";               //

  char *p2;                     //

  char *p3 = "123456";           //123456
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1020字节的区域就在堆区。

  strcpy(p1, "123456");           //123456
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Cmalloc函数,如
p1 = (char *)malloc(10);
C++中用new运算符,如
p2 =new char(10);
但是注意p1p2本身是在栈中的。

2.2 申请后系统的响应

stack: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。
heap
: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

Stack:在Windows,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, 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。
heap
: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:

Stack
:由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。

heap
: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,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
Stack
 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。

heap
: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。


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;
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:

#include <stdio.h>
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。

堆和栈的区别主要分为:

操作系统方面的堆和栈,如上面说的那些,不多说了。

还有就是数据结构方面的堆和栈,这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是(满足堆性质的)优先队列的一种数据结构,第1个元素有最高的优先权;栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。

虽然堆栈,堆栈的说法是连起来叫,但是他们还是有很大区别的,连着叫只是由于历史的原因。