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C/C++ STACK &HEAP 區別

阿新 • • 發佈：2019-01-19
堆：順序隨意 
棧：先進後出 
堆和棧的區別 
一、預備知識—程式的記憶體分配 
一個由c/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分 
1、棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧 
2、堆區（heap） — 一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列，呵呵。 
3、全域性區（靜態區）（static）—，全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域， 未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。 - 程式結束後有系統釋放 

4、文字常量區 —常量字串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放  
5、程式程式碼區—存放函式體的二進位制程式碼。 
二、例子程式 
這是一個前輩寫的，非常詳細 
//main.cpp  
int a = 0; 全域性初始化區 
char *p1; 全域性未初始化區 
main() 
{     
     int b; 棧 
     char s[] = "abc"; 棧  
     char *p2; 棧  
     char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區，p3在棧上。  
     static int c =0； 全域性（靜態）初始化區  
     p1 = (char *)malloc(10);  

     p2 = (char *)malloc(20);  
     分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。  
     strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。  
}  
二、堆和棧的理論知識 
2.1申請方式 
stack:由系統自動分配。 例如，宣告在函式中一個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間 
heap:需要程式設計師自己申請，並指明大小，在c中malloc函式如p1 = (char *)malloc(10);在C++中用new運算子如p2 = (char *)malloc(10);但是注意p1、p2本身是在棧中的 

2.2申請後系統的響應 
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢位。 
堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列，當系統收到程式的申請時，會遍歷該連結串列，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點連結串列中刪除，並將該結點的空間分配給程式，另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，程式碼中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中。  
2.3申請大小的限制 
棧：在Windows下,棧是向低地址擴充套件的資料結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 
堆：堆是向高地址擴充套件的資料結構，是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用連結串列來儲存的空閒記憶體地址的，自然是不連續的，而連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。  
2.4申請效率的比較： 
棧由系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。 
堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便. 另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體，他不是在堆，也不是在棧是直接在程序的地址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活  
2.5堆和棧中的儲存內容 
棧： 在函式呼叫時，第一個進棧的是主函式中後的下一條指令（函式呼叫語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函式的各個引數，在大多數的C編譯器中，引數是由右往左入棧的，然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。當本次函式呼叫結束後，區域性變數先出棧，然後是引數，最後棧頂指標指向最開始存的地址，也就是主函式中的下一條指令，程式由該點繼續執行。  
堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。  
2.6存取效率的比較  
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";  
aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的；而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；但是，在以後的存取中，在棧上的陣列比指標所指向的字串(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;      
}  
對應的彙編程式碼  
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  
第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，在根據edx讀取字元，顯然慢了。  
2.7小結： 
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出：使用棧就象我們去飯館裡吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。 使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。  
堆和棧的區別主要分：  
作業系統方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。還有就是資料結構方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是（滿足堆性質的）優先佇列的一種資料結構，第1個元素有最高的優先權；棧實際上就是滿足先進後出的性質的數學或資料結構。雖然堆疊，堆疊的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區別的，連著叫只是由於歷史的原因。 
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轉一篇文章：


可能許多人對記憶體分配上的“棧 stack”和“堆 heap”還不是很明白。包括一些科班出身的人也不明白這兩個概念。我不想過多的說這兩個東西。簡單的來講，stack上分配的記憶體系統自動釋放，heap上分配的記憶體，系統不釋放，哪怕程式退出，那一塊記憶體還是在那裡。stack一般是靜態分配記憶體，heap上一般是動態分配記憶體。  

由malloc系統函式分配的記憶體就是從堆上分配記憶體。從堆上分配的記憶體一定要自己釋放。用free釋放，不然就是術語——“記憶體洩露”（或是“記憶體漏洞”）—— Memory Leak。於是，系統的可分配記憶體會隨malloc越來越少，直到系統崩潰。還是來看看“棧記憶體”和“堆記憶體”的差別吧。  

棧記憶體分配  
—————--------------------------------------------------  
char*  
AllocStrFromStack()  
{  
char pstr[100];  
return pstr;  
}  


堆記憶體分配  
—————--------------------------------------------------char*  
AllocStrFromHeap(int len)  
{  
char *pstr;  

if ( len <= 0 ) return NULL;  
return ( char* ) malloc( len );  
}  

對於第一個函式，那塊pstr的記憶體在函式返回時就被系統釋放了。於是所返回的char*什麼也沒有。而對於第二個函式，是從堆上分配記憶體，所以哪怕是程式退出時，也不釋放，所以第二個函式的返回的記憶體沒有問題，可以被使用。但一定要呼叫free釋放，不然就是Memory Leak！  

在堆上分配記憶體很容易造成記憶體洩漏，這是C/C++的最大的“剋星”，如果你的程式要穩定，那麼就不要出現Memory Leak。所以，我還是要在這裡千叮嚀萬囑付，在使用malloc系統函式（包括calloc，realloc）時千萬要小心。  

記得有一個UNIX上的服務應用程式，大約有幾百的C檔案編譯而成，執行測試良好，等使用時，每隔三個月系統就是down一次，搞得許多人焦頭爛額，查不出問題所在。只好，每隔兩個月人工手動重啟系統一次。出現這種問題就是Memery Leak在做怪了，在C/C++中這種問題總是會發生，所以你一定要小心。 
我保證，做過許多C/C++的工程的程式設計師，都會對malloc或是new有些感冒。當你什麼時候在使用malloc和new時，有一種輕度的緊張和惶恐的感覺時，你就具備了這方面的修養了。  

對於malloc和free的操作有以下規則：  

1) 配對使用，有一個malloc，就應該有一個free。（C++中對應為new和delete）  
2) 儘量在同一層上使用，不要像上面那種，malloc在函式中，而free在函式外。最好在同一呼叫層上使用這兩個函式。  
3) malloc分配的記憶體一定要初始化。free後的指標一定要設定為NULL。  

注：雖然現在的作業系統（如：UNIX和Win2k/NT）都有程序記憶體跟蹤機制，也就是如果你有沒有釋放的記憶體，作業系統會幫你釋放。但作業系統依然不會釋放你程式中所有產生了Memory Leak的記憶體，所以，最好還是你自己來做這個工作。（有的時候不知不覺就出現Memory Leak了，而且在幾百萬行的程式碼中找無異於海底撈針，Rational有一個工具叫Purify，可能很好的幫你檢查程式中的Memory Leak）

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