關於heap(堆)和stack(棧)的探討(修改)

關於heap(堆)和stack(棧)的問題:
heap(堆):是由程序員自己分配和回收,若其在程序結束時,未回收時則由操作系統來完成回收工作。
stack(棧):是由操作系統來分配和回收的。
它們之間有缺點的比較:
heap 一般比較靈活,且內存不要求連續,但是容易造成內存泄露;
stack 一般比較固定,且內存一般分配是連續的,不容易引起內存泄露。
它們都不同於數據結構中的堆棧結構,請區分理解。

關於volatile
 volatile一般較多的應用在嵌入式系統中,因爲RTOS不要求編譯器對其進行優化。
如果不將其聲明的話,會將變量進行自動優化,即:它不是每一次都從內存空間的實際地址上讀取信息,而是 在多次讀取後,將它copy一份,當將它賦值給一個另外的變量值時,直接將這個複本給它,從而不能保證它的值是否正確。
補充解釋:
   操作系統裏的堆和棧是指對內存進行操作和管理的一些方式. 數據結構裏面的實際上指的就是(滿足堆性質的)優先Queue的一種數據結構,第1個元素有最高的優先權;實際上就是滿足先進後出的性質的數學或數據結構. 堆棧的說法是連起來叫,但是他們還是有很大不同的,連着叫只是由於歷史的原因.
   簡單地講堆棧就是一個序列,這個序列按照後進先出(POP/PUSH)的規則組織.
"棧"就是整齊的貨物一個挨一個地碼在一起.整齊的貨物就是同樣的數據類型.最後碼上去的肯定在最上邊,最上邊的也肯定是最先搬下來. "堆"應該是"堆棧"的一種推廣.按照某種優先原則組織的一組數據. "堆"就是一些貨物看似雜亂無章地堆在一起,但是可以按某種原則每次取一個出來."二叉堆"像不像一個堆成金字塔的貨堆?
  "堆棧"是"堆"的優先原則的一種特例.

  百科全書對數據結構中的“堆”的解釋:在計算機科學中,是一種經過排序的數據結構,每個結點都有一個值。通常我們所說的堆的數據結構,是指二叉堆。堆的特點是根結點的值最小(或最大),且根結點的兩個子樹也是一個堆。由於堆的這個特性,常用來實現優先隊列,並用於一些圖論算法中。堆也用於排序算法,如堆排序

  一般我們平時所說的堆棧就是"棧",千萬別跟"堆"混淆了,在英語中很容易將他們區分開來,一個是stack,另一個是heap。堆爲heap,堆棧爲stack.用new分配(c++中的)的動態內存在heap中,局部變量在stack中。   
  棧這種機制是受到處理器支持的,有指令對它進行操作的,例如你熟悉的push和pop。  
  但是堆(heap)是一種比較高級的數據結構,之所以說高級,是因爲它需要操作系統支持!也就是說,不同的操作系統有不同的堆管理算法。處理器根本不知道什麼是堆,所以你看到沒有指令是對堆直接操作的。彙編中沒有堆的概念, 要動態內存分配的話, 其實要通過操作系統的支持.  

   heap 是操作系統建立起來的動態內存管理的邏輯結構,不同的操作系統有不同的實現。與具體的語言沒有關係,new只是c++爲了可移植性而添加的關鍵字,不同平臺下的c/c++運行庫new有不同的實現。  

  彙編中的棧段相對於其他的段有特別的要求(比如在特權級的要求上).    
  C語言中的棧則比較廣義,只要是先進後出的都可以叫棧,而不一定要由SS:ESP  
  或SS:EBP尋址.

  內存的物理結構都是一樣的  
  無論是堆(heap)還是棧(stack)都是邏輯結構  
  而這些邏輯結構是在不同的層次上劃分的  
  比如在彙編中它分爲三個區data  area ,code area, stack area 這三個區域是由彙編器(assembler)來實現的  
  而c語言它的編譯器(編譯器是根據c語言的語法標準來編的,如果你有機會可以看看編譯原理)把內存分成了四塊除了上面的三塊之外還有堆(heap)(這裏堆的管理是由所在的操作系統決定的,與是那種語言無關。)       
  這就好比一個雞蛋,從不同的角度看,它是不一樣的,在不同的層面上看它也是不一樣的。  


初學者總是不知道堆與棧的區別,剛剛看到的,希望對初學者有所幫助



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。
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。

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。

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