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C/C++堆和栈的区别

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

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    • 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。
    • 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。
    • 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。
    • 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
    • 程序代码区：存放函数体的二进制代码。

例如:

#include "stdio.h"
int a = 0;//全局初始化区 
char *p1;//   全局未初始化区    
void main(void)    
{    
        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   =   (char   *)malloc(10);    
        p2   =   (char   *)malloc(20);    
        //分配得来得10和20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。       
}

堆和栈的理论知识

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
    例如 p1 = (char *)malloc(10);
    在C++中用new运算符
    例如 p2 = new char[10];
    但是注意p1、p2本身是在栈中的。

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。

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。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。

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 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块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

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。堆中的具体内容由程序员安排。

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。

例如:

#include "stdio.h" 
void main(void) 
{
    char    a    =   1; 
    char    c[]   =   "1234567890";
    char   *p    =   "1234567890";
    a    =   c[1];
    a   =   p[1];
    return;
}
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，
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。

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。
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