堆和棧的區別

一、預備知識—程序的內存分配

由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲以下幾個部分
1、棧區(stack)： 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。
2、堆區(heap)： 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表。
3、全局區(static)： 全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域，程序結束後有系統釋放 。
4、文字常量區： 常量字符串就是放在這裏的， 程序結束後由系統釋放。
5、程序代碼區： 存放函數體的二進制代碼。

Example:

int a = 0; // 全局初始化區
char *p1; // 全局未初始化區
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； // 全局(靜態)初始化區
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); // 分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
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
棧: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間
堆: 需要程序員自己申請，並指明大小，在c中malloc函數：如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運算符 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，系統將爲程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。
堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時， 會遍歷該鏈表，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鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。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鏈表中。

2.3 申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存區域。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：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，自然是不連續的，而鏈表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內存。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。但程序員是無法控制的。
堆：是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便。
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

2.5 堆和棧中的存儲內容
棧： 在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，然後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

2.6 存取效率的比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
但是，在以後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(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;
}
對應的彙編代碼
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符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，在根據edx讀取字符，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裏吃飯，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。

還有就是函數調用時會在棧上有一系列的保留現場及傳遞參數的操作。棧的空間大小有限定，VC的缺省是2M。棧不夠用的情況一般是程序中分配了大量數組和遞歸函數層次太深。有一點必須知道，當一個函數調用完返回後它會釋放該函數中所有的棧空間。棧是由編譯器自動管理的，不用你操心。堆是動態分配內存的，並且你可以分配使用很大的內存。但是用不好會產生內存泄漏。並且頻繁地malloc和free會產生內存碎片(有點類似磁盤碎片)，因爲C分配動態內存時是尋找匹配的內存的。而用棧則不會產生碎片。在棧上存取數據比通過指針在堆上存取數據快些。一般大家說的堆棧和棧是一樣的，就是棧(stack)，而說堆時纔是堆heap。棧是先入後出的，一般是由高地址向低地址生長。