C/C++中栈(stack)和堆(heap)的区别

简单理解

栈(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。
堆(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。

程序的内存分配

由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分:
1、栈(stack): 由编译器进行管理,自动分配和释放,存放函数调用过程中的各种参数值、局部变量的值、返回值以及函数返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆(heap):用于程序动态申请分配和释放空间。C语言中的malloc和free,C++中的new和delete均是在堆中进行的。正常情况下,程序员申请的空间在使用结束后应该释放,若程序员没有释放空间,则程序结束时系统自动回收。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(静态)存储区(static):分为DATA段和BSS段。DATA段(全局初始化区)存放初始化的全局变量和静态变量;BSS段(全局未初始化区)存放未初始化的全局变量和静态变量。程序运行结束时自动释放。其中BBS段在程序执行之前会被系统自动清0,所以未初始化的全局变量和静态变量在程序执行之前已经为0。
4、文字常量区:存放常量字符串。程序结束后由系统释放。
5、程序代码区:存放程序的二进制代码。

示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int k1 = 1;
int k2;
static int k3 = 2;
static int k4;
int main( )
{  static int m1 = 2, m2;
    int i = 1;
    char *p;
    char str[10] = "hello";
    char *q = "hello";
    p = (char *)malloc( 100 );
    free(p);
    printf("栈区-变量地址i:%p\n", &i);
    printf("p:%p\n", &p);
    printf("str:%p\n", str);
    printf("q:%p\n", &q);
    printf("堆区地址-动态申请:%p\n", p);
    printf("全局外部有初值 k1:%p\n", &k1);
    printf("外部无初值 k2:%p\n", &k2);
    printf("静态外部有初值 k3:%p\n", &k3);
    printf("外静无初值 k4:%p\n", &k4);
    printf("内静态有初值 m1:%p\n", &m1);
    printf("内静态无初值 m2:%p\n", &m2);
    printf("文字常量地址:%p, %s\n",q, q);
    printf("程序区地址:%p\n",&main);
    return 0;
}

栈和堆的理论知识

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中用malloc函数 ;在C++中用new运算符

申请后系统的响应

栈(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。
堆(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。

申请大小的限制

栈(stack):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(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。

申请效率的比较

栈(stack):由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
堆(heap):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

栈和堆中的存储内容

栈(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。
堆(heap):一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

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:

#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:

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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edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。

小结

栈和堆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。

栈和堆的区别主要分:
操作系统方面的栈和堆,如上面说的那些,不多说了。
还有就是数据结构方面的栈和堆,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.

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