数据结构中栈和堆---内存分配中栈和堆

Posted 2020-09-28 王大咩的图书馆

一、数据结构的栈和堆

  首先在数据结构上要知道堆栈，尽管我们这么称呼它，但实际上堆栈是两种数据结构：堆和栈。堆和栈都是一种数据项按序排列的数据结构。

1）栈就像装数据的桶或箱子  我们先从大家比较熟悉的栈说起吧，它是一种具有后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。这就如同我们要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比较早的物体），我们首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。

2）堆像一棵倒过来的树
而堆就不同了，堆是一种经过排序的树形数据结构，每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性，常用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同我们在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放是有顺序的，但是我们想取任意一本时不必像栈一样，先取出前面所有的书，书架这种机制不同于箱子，我们可以直接取出我们想要的书。

以上部分转载于wolenski的博客

二、内存分配中的栈和堆

以下部分转载于猫已经找不回了的博客

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。

 例子程序    
  这是一个前辈写的，非常详细    

 1 //main.cpp    
 2   int   a   =   0;   //全局初始化区    
 3   char   *p1;      //全局未初始化区    
 4   main()    
 5   {    
 6       int   b;                        //栈    
 7       char   s[]   =   "abc";   //栈    
 8       char   *p2;                  //栈    
 9       char   *p3   =   "123456";   //123456/0在常量区，p3在栈上。    
10       static   int   c   =0；   //全局（静态）初始化区    
11       p1   =   (char   *)malloc(10);    
12       p2   =   (char   *)malloc(20);    
13       //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。    
14       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。 */   
15   }     

 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   =   new   char[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，也不是在是直接在进程的地址空间中保留一块内存，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。

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：

 1  #include    
 2   void   main()    
 3   {    
 4       char   a   =   1;    
 5       char   c[]   =   "1234567890";    
 6       char   *p   ="1234567890";    
 7       a  = c[1];    
 8       a  = p[1];    
 9       return;    
10   }    

 

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到edx中，再根据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。   (经典！)