21.2 棧內存管理
棧內存分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都能夠在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元會自動被釋放。
21.2.1 申請棧內存
棧內存有兩種實現方法，一種是由系統根據需要自動分配，程序不能控制，另一種是用堆來模擬棧的操作。下面通過兩個例子來看一下棧空間是如何分配的。
【示例21-2】 函數f是遞歸函數，當從第n層進入第n+1層時就需要在棧上存儲現場。
int fun(int x)
{
if x>0 then
fun(x--);
cout<<"x="<<x<<endl;
return 0;
}
分析：當x爲正數時就進入下一層遞歸，否則輸出x的值，然後退到上一層。當每進入一層遞歸時，任何其他返回時要恢復的現場數據都將被保存在棧上，例如x的值，返回後繼續執行的下一條指令的地址等。由於從內層遞歸返回外層後，原來的x的值還要使用，所以進入內層遞歸時，x的值必須保存在棧上。當返回時，再依次從棧上取出。
【示例21-3】 臨時變量保存在棧上的情況。
void main ()
{
int a;
float b;
double c;
char s[10];
...
}
void func(int x, int y)
{
...
}
分析：函數main()中聲明瞭4個臨時變量，各個變量在編譯時自動從棧上獲得存儲空間。各語句的意思如下所示。
● int a;表示系統在棧上爲整型變量a申請了int字節大小的內存存儲單元。
● float b;表示系統在棧上爲浮點型變量b申請了float字節大小的內存存儲單元。
● double d;表示系統在棧上爲雙精度型變量c申請了double字節大小的內存存儲單元。
● char s[10];表示系統在棧上爲字符型數組s 申請了10個char字節大小的內存存單元。
● 在函數func中的參數列表(int x, int y)，申請了2個形參變量。
● int x表示系統在棧上爲形參x申請了int字節大小的內存存儲單元。
● int y表示系統在棧上爲形參y申請了int字節大小的內存存儲單元。
%注意：如果在棧上申請的內存大於棧上的所有剩餘的內存空間，系統將會提示棧溢出的 錯誤。
【示例21-4】 用指針來模擬的鏈棧。
class intstack
{
private:
struct tagint
{
int x;
int *p;
} value;
public:
void push(int y);
int pop();
}
分析：該類是用堆來模擬了一個先進後出的棧。其中，結構體struct tagint實現了一個鏈棧，它的內存空間實際上來自於堆（下一節會講到），而函數push()和pop()則負責對該棧進行操作。push()是壓棧，既寫數據進棧，而pop()是從棧內彈出數據，同時釋放申請的空間。該示例實際上是不完整的，只說明了棧的基本元素，21.2.2節將補全該示例。關於鏈棧還有很多操作，可以參考本書其他章節。
21.2.2 使用棧內存
由於棧是由系統來管理，所以不會直觀地感覺到在使用棧，除非程序自己來模擬一個棧。
【示例21-5】 局部變量自動從棧上獲得存儲空間。
void main()
{
int a; //在棧上分配空間
int b; //在棧上分配空間
int c; //在棧上分配空間
a = 25; //賦值
b = 68; //賦值
c = a + b; //使用 a, b對c賦值
std::cout << "the value of a + b is : " << c; //使用c
}
分析：該示例有3個局部變量，都從棧上獲得內存空間。每個變量的名字與一個棧上空間相對應。由於棧由系統來管理，所以使用時程序沒有特別需要注意的地方。因此使用棧時，只需給出對應的變量名即可。
【示例21-6】 補全了示例21-4，演示了用指針鏈模擬棧的方法，以說明棧的操作原理。
class intstack
{
public:
intstack();
~intstack();
private:
struct tagint
{
int x; //保存數據
struct tagint *p; //指向下一個節點
} *value;
public:
void push(int y); //壓棧
int pop(); //出棧
int gettop(); //得到棧頂元素的值
}
intstack::intstack()
{
value=(struct tagint *)malloc(sizeof(struct tagint)); //申請內存空間
}
intstack::~intstack()
{
//釋放
struct tagint *st;
st=value->p;
while(st!=null)
{
value->p=st->p; //指向下一個位置
free(st); //釋放
st=value->p; //指向下一個位置
}
free(value);
}
//壓棧
void intstack::push(int y)
{
struct tagint *st;
st=(struct tagint *)malloc(sizeof(struct tagint)); //申請內存空間
st->x=y; //賦值
st->p=value->p; //指向當前鏈頭
value->p=st; //鏈到棧頭
}
//得到棧頂元素的值
int intstack:: gettop ()
{
return value->p->x; //返回棧頂元素的值
}
//返回棧頂元素的值，同時刪除棧頂
int intstack::pop()
{
int y=value->p->x; //棧頂值
struct tagint *st;
st=value->p; //棧頂元素
value->p=value->p->p; //下一個元素成爲棧頂
free(st); //釋放
return y; //返回棧頂元素的值
}
分析：該示例是個簡單的用鏈模擬棧的類，從它使用內存的方式來看不是棧空間，而是動態分配空間。它用一個鏈來模擬一個先進後出的棧，用push()模擬壓棧，gettop()模擬取棧頂元素，pop()在取棧頂元素的同時刪除當前棧頂。這個示例演示了棧的基本操作原理，讓讀者對棧的使用有一個直觀的理解。
21.2.3 釋放棧內存
棧空間在不使用時要釋放掉。由於棧一般都是系統在管理，所以棧的釋放不用程序員來處理。當某個變量的生命期結束時，系統會自動釋放該變量所佔用的空間。如果是從內層遞歸返回，系統會自動釋放內層遞歸所申請的空間，彈出上層遞歸保留的變量和一些其他的參數。這些處理都在系統內進行，編寫程序時不需要考慮。
在21.2.2節的示例21-6中，由於棧是模擬的，所以分配和釋放都要由程序本身來處理。該模擬棧的空間釋放是在析構函數內，必須釋放所有棧空間，否則會浪費內層。value不是棧的節點，而是保存了指向棧頂的指針，也必須釋放，否則也會浪費內層。
21.2.4 改變大小
要改變棧上分配的內存大小，可以用C++的庫函數的alloca()函數，其原型如下：
void *alloca(size_t size);
這個函數在調用它的函數的棧空間中分配一個size字節大小的空間，當調用alloca()的函數返回或退出的時候，alloca()在棧中分配的空間被自動釋放。當alloca()函數執行成功時，它將返回一個指向所分配的棧空間起始地址的指針。
【示例21-7】 在棧上實現一個動態增長的變長數組。
#include<iostream>
//內存管理的庫函數頭文件
#include <malloc.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
//在棧上，內存爲10個int字節大小的內存存儲單元
int stackArray[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int i; //在棧上
int j; //在棧上
int *p; //在棧上
/*輸出原來存儲在棧上的數組中的10個元素 */
std::cout << "the array before changed stack memeory: " << "/n";
for(i=0;i<10;i++)
{
std::cout << stackArray[i] << "/t";
}
std::cout << "/n";
p = stackArray; //指向stackArray數組在棧上的內存地址
p = (int *) alloca(sizeof(int) * 12); //修改所指向的stackArray數組在棧上 的內存的大小，
//增加2個int字節大小的內存存儲單元。
//此時的statckArray在棧上分配的內存爲12個int字節大小的內存存 儲單元
stackArray[10] = 99; /* 新增的第11個數組元素 */
stackArray[11] = 100; /* 新增的第12個數組元素 */
/*輸出修改內存大小後的數組中的12個元素*/
std::cout << "the array after changed stack memory: " << “/n”;
for(j=0;j<12;j++)
{
std::cout << stackArray[j] << “/t”;
}
return 0;
}
程序執行時，顯示結果如下所示。
the array before chaged stack memory:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
the array after chaged stack memory:
1 2 3 4 5 6 7 8 10 99 100
分析：示例中，首先用語句行int stackArray[10]在棧上申請了一個10個int字節大小內存存儲單元的棧數組。然後用C++庫函數alloca()對stackArray在棧上的內存大小進行了修改，成爲12個int字節大小的內存存儲單元。這樣增加了兩個int字節大小的內存單元，從而實現了對棧數組stackArray動態地增加了兩個int型的數組元素其值爲99和100。
%注意：用alloca()函數只能用於對棧內存的大小的修改。不能用於在堆上的操作。alloca()函數分配的內存不需要程序員來釋放，它是由系統在程序或調用它的函數運行結束後自動釋放。