堆和棧

堆棧
在計算機領域，堆棧是一個不容忽視的概念，但是很多人甚至是計算機專業的人也沒有明確堆棧其實是兩種數據結構。

要點：

堆：順序隨意

棧：先進後出

堆和棧的區別  

一、預備知識—程序的內存分配  

一個由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，呵呵。  

3、全局區（靜態區）（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。  

二、例子程序  

這是一個前輩寫的，非常詳細  

//main.cpp  

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  

stack:  

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  

heap:  

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。  

堆和棧的區別主要分：  

操作系統方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。  

還有就是數據結構方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這裏的堆實際上指的就是（滿足堆性質的）優先隊列的一種數據結構，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數據結構。  

雖然堆棧，堆棧的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區別的，連着叫只是由於歷史的原因。
 解釋一下爲什麼把堆和棧連起來說的原因：
        據我所知，DOS下程序是獨佔方式，堆分爲近堆和遠堆，近堆和棧是在數據段開闢的同一塊內存地址，棧從下往上增長，堆從上向下分配，中間沒有規定分界線，所以程序控制不當，如深層次的遞歸，大量的動態地址分配很容易造成堆棧衝突，即堆棧地址重疊，從而造成死機和程序運行異常。堆和棧連在一起說的原因就是如此。
        至於遠堆則是指在數據段和代碼段以外計算機所有沒有使用的剩餘基本內存。
        Windows採用的是虛擬地址，內存分配方式就不一樣了，樓上各位說的很清楚了，只有學習。

這傢伙很懶,沒有簽名檔.

posted on 2008-03-22 20:34 海力布 閱讀(55) 評論(2)  編輯 收藏

評論

#1樓 [樓主] 2008-03-22 20:35 海力布      

解釋一下爲什麼把堆和棧連起來說的原因：
據我所知，DOS下程序是獨佔方式，堆分爲近堆和遠堆，近堆和棧是在數據段開闢的同一塊內存地址，棧從下往上增長，堆從上向下分配，中間沒有規定分界線，所以程序控制不當，如深層次的遞歸，大量的動態地址分配很容易造成堆棧衝突，即堆棧地址重疊，從而造成死機和程序運行異常。堆和棧連在一起說的原因就是如此。
至於遠堆則是指在數據段和代碼段以外計算機所有沒有使用的剩餘基本內存。
Windows採用的是虛擬地址，內存分配方式就不一樣了，樓上各位說的很清楚了，只有學習。   回覆  引用  查看    

#2樓 [樓主] 2008-03-22 20:36 海力布      

五大內存分區
在C++中，內存分成5個區，他們分別是堆、棧、自由存儲區、全局/靜態存儲區和常量存儲區。
棧，就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清楚的變量的存儲區。裏面的變量通常是局部變量、函數參數等。
堆，就是那些由new分配的內存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程序去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程序員沒有釋放掉，那麼在程序結束後，操作系統會自動回收。
自由存儲區，就是那些由malloc等分配的內存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結束自己的生命的。
全局/靜態存儲區，全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，在以前的C語言中，全局變量又分爲初始化的和未初始化的，在C++裏面沒有這個區分了，他們共同佔用同一塊內存區。
常量存儲區，這是一塊比較特殊的存儲區，他們裏面存放的是常量，不允許修改（當然，你要通過非正當手段也可以修改，而且方法很多）
明確區分堆與棧
在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。
首先，我們舉一個例子：
void f() { int* p=new int[5]; }
這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆內存，那麼指針p呢？他分配的是一塊棧內存，所以這句話的意思就是：在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。在程序會先確定在堆中分配內存的大小，然後調用operator new分配內存，然後返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編代碼如下：
00401028 push 14h
0040102A call operator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax
這裏，我們爲了簡單並沒有釋放內存，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？澳，錯了，應該是delete []p，這是爲了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie信息去進行釋放內存的工作。
好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？
主要的區別由以下幾點：
1、管理方式不同；
2、空間大小不同；
3、能否產生碎片不同；
4、生長方向不同；
5、分配方式不同；
6、分配效率不同；
管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。
空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：
打開工程，依次操作菜單如下：Project-> Setting-> Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。
注意：reserve最小值爲4Byte；commit是保留在虛擬內存的頁文件裏面，它設置的較大會使棧開闢較大的值，可能增加內存的開銷和啓動時間。
碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因爲棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構，這裏我們就不再一一討論了。
生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向着內存地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向着內存地址減小的方向增長。
分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。
分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很複雜的，例如爲了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。
從這裏我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片；由於沒有專門的系統支持，效率很低；由於可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址， EBP和局部變量都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。
雖然棧有如此衆多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。
無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因爲越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程序運行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的：）
對了，還有一件事，如果有人把堆棧合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了？