C++面試之堆棧

原創

2018-09-02 23:23

一、程序的內存分配

一個由C/C++編譯程序佔用內存分爲以下幾個部分
1、棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放，存放函數參數值，局部變量值等。其操作方式類似於數據結構中棧。
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堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表。
3、全局區（靜態區）（static）—，全局變量和靜態變量存儲是放在一塊，初始化全局變量和靜態變量在一塊區域，未初始化全局變量和未初始化靜態變量在相鄰另一塊區域。 - 程序結束後由系統釋放。-->分別是data區，bbs區
4、文字常量區 —常量字符串就是放在這裏。程序結束後由系統釋放-->coment區
5、程序代碼區—存放函數體二進制代碼。-->code區

例如：

#include <string>
int a=0;    //全局初始化區
char *p1;   //全局未初始化區
void 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);   //分配得來的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所向"123456\0"優化成一個地方。
}

二、堆和棧的區別

1. 申請方式不同

棧（stack）是由系統自動分配和釋放的，不需要程序員管理。例如函數中聲明一個變量int a；a是由系統分配內存的。

堆（heap）是由程序員自己申請並且需要指定大小，同時需要程序員自行釋放的。例如：char *p = new char[10];

需要指出的是，變量p本身是在棧中。

2. 申請後系統響應
棧：只要棧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。這個地方注意的是在很深的遞歸函數中很有可能會遇到棧溢出的情況。一般編譯器可以修改棧的空間大小。
堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址鏈表，當系統收到程序申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間堆結點，然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中首地址處記錄本次分配大小，這樣，代碼中delete語句才能正確釋放本內存空間。另外，由於找到堆結點大小不一定正好等於申請大小，系統會自動將多餘那部分重新放入空閒鏈表中。

3、申請大小限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展數據結構，是一塊連續內存區域。這句話意思是棧頂地址和棧最大容量是系統預先規定好，在WINDOWS下，棧大小是常數，如果申請空間超過棧剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得空間較小。
堆：堆是向高地址擴展數據結構，是不連續內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲空閒內存地址，自然是不連續，而鏈表遍歷方向是由低地址向高地址。堆大小受限於計算機系統中有效虛擬內存。由此可見，堆獲得空間比較靈活，也比較大。
4、申請效率比較：
棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制。
堆是由new分配內存，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。
5、堆和棧中存儲內容
棧：在函數調用時，第一個進棧是主函數中後下一條指令（函數調用語句下一條可執行語句）地址，然後是函數各個參數，在大多數C編譯器中，參數是由右往左入棧，然後是函數中局部變量。注意靜態變量是不入棧。
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地址，也就是主函數中下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：一般是在堆頭部用一個字節存放堆大小。堆中具體內容有程序員安排。

三、函數調用與堆棧

1)編譯器一般使用棧來存放函數的參數，局部變量等來實現函數調用。有時候函數有嵌套調用，這個時候棧中會有多個函數的信息，每個函數佔用一個連續的區域。一個函數佔用的區域被稱作幀（）。同時棧是線程獨立的，每個線程都有自己的棧。例如下面簡單的函數調用：

分析一下函數：

int Add(int x, int y)
{
    return x + y;
}
void main()
{
    int *pi = new int(10);
    int *pj = new int(20);
    int result = 0;
    result = Add(*pi,*pj);
    delete pi;
    delete pj;
}