什么时候用堆,什么时候用栈?

Posted tianqiang

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了什么时候用堆,什么时候用栈?相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

什么时候用堆,什么时候用栈?

 

一、首先,回顾一下c、c++的内存分配机制。

 一个C、C++程序编译时内存分为5大存储区:

堆区、栈区、静态区(全局区)、文字常量区(储存字符串常量)、程序代码区(存放二进制程序)

下面主要阐述前面三个。

(1)静态存储区域:

静态存储区域的内存在程序编译时就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。速度快、不容易出错,因为有系统会善后。例如全局变量,static变量等。
(2)栈:
  在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都在栈上创建,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)堆:
  动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存,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。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,另外频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。

二、下面来比较一下堆和栈的区别。

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;
(1)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,容易产生内存泄露。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
(6)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。

 

本文总结:

从上面的讨论我们可以看出:

(1)与堆相比,栈不会导致内存碎片,分配效率高。

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。如果少量数据需要频繁的操作,那么在程序中动态申请少量栈内存(例如使用alloca函数),会获得很好的性能提升。

(2)堆可以申请的内存大很多。
与堆相比,栈的使用不是那么灵活,如果分配大量的内存空间,推荐使用堆内存。

 

很多人说,如果变量要使用的内存长度不确定的时候,就是使用malloc或者new等申请动态内存。

但是这是不正确的,从上面的讨论可以看出,在栈上也可以为长度不确定的变量动态申请内存。

 

不过在栈上动态申请内存需要注意一些问题。详细的内容请参考下面的文章。

《alloca——可以在栈中动态分配内存的函数》

 

以上是关于什么时候用堆,什么时候用栈?的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

自下而上建堆(heap)的时间复杂度证明

用堆实现的贪心——注重思想吧

算法题06-用栈来解决汉诺塔问题

用栈来求解汉诺塔问题

[ 数据结构 -- 手撕排序算法第七篇 ] 堆排序(下)用堆排序来解决Top-K问题

1.6 用栈来求解汉诺塔问题