C语言中栈和堆的区别

参考他人的博客,一些地方进行了修改,方便大家理解

关于栈和堆简单可以理解为:

  • heap(堆):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(栈):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。

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 :

  • 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。
  • 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。
  • 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
  • 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
  • 程序代码区(text):存放函数体的二进制代码。

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 
int main() 
{ 
   int b;                      //栈 
   char s[] = "abc";           //栈 
   char *p2;                   //栈 
   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10和20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。
   return 0;
} 

堆和栈的理论知识:

  • 申请方式
    • 栈( 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
    • 堆(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。
      注意:栈区的空间由系统自己管理,而在堆区申请的内存空间要程序员自己释放(C语言中用free(),C++中用delete),否则会造成内存泄漏

申请后系统的响应 :

  • :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。
  • :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free或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。

申请大小的限制:

  • :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。

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, 也最灵活

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。

存取效率的比较

/*
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 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: 
int  main() 
{ 
    char a = 1; 
    char c[] = "1234567890"; 
    char *p ="1234567890"; 
    a = c[1]; 
    a = p[1]; 
    return 0; 
} 

对应的汇编代码:

a = c[1];
mov cl, byte ptr [ebp-0Fh]
mov byte ptr [ebp-4], cl
a = p[1];
mov edx, dword ptr [ebp-14h]
mov al, byte ptr [edx+1]
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edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。

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:

  • 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针值读.

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