内存中堆栈

Posted 2020-10-10 海之石

 内存中堆栈与数据结构中的堆栈，以前一直被这困扰着，不知道的时候还以为是同一个东西呢。等看一些资料后，发现原来二者并不是同一概念。现将一些特点记录如下，如有不正之处，还望看到的童鞋指正，谢谢。

       首先，二者肯定是不同的概念。数据结构中栈是指满足先进后出的性质的数学或数据结构，数据结构中的堆一般而言，是指（满足堆性质的）优先队列的数据结构，第一个元素具有最高的优先权。

       下面来介绍下内存中的堆栈。在进行C/C++编程时，需要我们对内存的了解比较精准。对于一个进程的内存空间而言，可以在逻辑上分成3个部分：代码区、静态数据区和动态数据区。其中动态数据区一般就是“堆栈”。“栈stack”和“堆heap”是两种不同的动态数据区。下面为了方便，我们把内存中“栈”叫栈区，“堆”叫堆区。下面对其进行分别介绍:

        栈区（stack）：栈区的空间由操作系统自动分配和释放，该部分主要用于存放函数的参数值、局部变量等，比如声明在函数中的一个局部变量int b，系统就会自动在栈中为b开辟空间。栈区的操作方式类似于数据结构中栈（这也许是造成许多人混淆的地方，正如有的人所说，我们可以把数据结构的栈理解成某个技术，而内存的栈正好用到了该技术，但二者其实并不一样）。另外需要注意的是,在windows下，栈是向低地址扩展的数据机构，是一块连续的内存区域。也就是说栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先设定好的，比如在windows下，栈的大小为2MB（也有的说是1MB，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，将会提示overflow。总之就是说栈的空间是有限的。

      堆区（heap）：堆区空间一般由程序员分配和释放（需要注意堆区与数据结构中的堆是两回事，其分配方式类似于链表），比如，在C中用malloc函数---  p1 = (char*) malloc(10);   在C++中用new，都将分配堆区空间。不过要注意p1本身是在栈中。

      静态数据区：全局变量和静态变量都存放于该区。初始化的全局变量和初始化的静态变量放在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量放在相邻的另一区域。程序结束后由系统自动释放。

      代码区：该区用于存放函数体的二进制代码。

 

1.内存分配方式

内存分配方式有三种：

[1]从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。

[2]在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

[3]从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

2.程序的内存空间

一个程序将操作系统分配给其运行的内存块分为4个区域，如下图所示。

代码区(code area)	程序内存空间
全局数据区(data area)
堆区(heap area)
栈区(stack area)

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 ，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。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 。分配方式类似于链表。

3、全局区（静态区）（static）存放全局变量、静态数据、常量。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（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

下面给出例子程序，

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//0在常量区，p3在栈上。 static int c =0;//全局（静态）初始化区 p1 = new char[10]; p2 = new char[20]; //分配得来得和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。 }

3．堆与栈的比较

3.1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，C++中是new运算符。

如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];

如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

 

3.2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。

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。

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。

 

3.3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。

 

3.4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，也不是栈，而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。

 

3.5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。

 

3.6存取效率的比较

char s1[] = /"a/";

char *s2 = /"b/";

a是在运行时刻赋值的；而b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

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，再根据edx读取字符，显然慢了。

 

3.7小结

堆和栈的主要区别由以下几点：

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。当然，这个值可以修改。

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。

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malloca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。

4.new/delete与malloc/free比较

从C++角度上说，使用new分配堆空间可以调用类的构造函数，而malloc()函数仅仅是一个函数调用，它不会调用构造函数，它所接受的参数是一个unsigned long类型。同样，delete在释放堆空间之前会调用析构函数，而free函数则不会。

class Time{ public:     Time(int,int,int,string);     ~Time(){        cout<</"call Time/‘s destructor by:/"<<name<<endl;     } private:     int hour;     int min;     int sec;     string name; };   Time::Time(int h,int m,int s,string n){ hour=h; min=m; sec=s; name=n; cout<</"call Time/‘s constructor by:/"<<name<<endl; }   int main(){ Time *t1; t1=(Time*)malloc(sizeof(Time)); free(t1); Time *t2; t2=new Time(0,0,0,/"t2/"); delete t2; system(/"PAUSE/"); return EXIT_SUCCESS; }

结果：

call Time/‘s constructor by:t2

call Time/‘s destructor by:t2

从结果可以看出，使用new/delete可以调用对象的构造函数与析构函数，并且示例中调用的是一个非默认构造函数。但在堆上分配对象数组时，只能调用默认构造函数，不能调用其他任何构造函数。

 

转自 http://blog.csdn.net/jing0611/article/details/4030237