C/C++ 堆和棧的區別

預備知識—程序的內存分配

一個由C/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分

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
     操作方式類似于數據結構中的棧。
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，分配方式倒是類似于鏈表。
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。 - 程序結束后由系統釋放。
4. • 文字常量區：常量字符串就是放在這里的。 程序結束后由系統釋放
5. • 程序代碼區：存放函數體的二進制代碼。

例如:

#include "stdio.h"
int a = 0;//全局初始化區 
char *p1;//   全局未初始化區    
void main(void)    
{    
        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。       
}

堆和棧的理論知識

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; 系統自動在棧中為b開辟空 間

• heap:
  需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數
  例如 p1 = (char *)malloc(10);
  在C++中用new運算符
  例如 p2 = new char[10];
  但是注意p1、p2本身是在棧中的。

申請后系統的響應

• 棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，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閑內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時， 會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表 中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，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，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部 分重新放入空閑鏈表中。

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。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余空間時，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。這是由于系統是用鏈表來存儲 的空閑內存地址的，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 受限于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。

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 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塊內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

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后的下一條指令（函數調用語句的下一條可 執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧 的，然后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后，局部變量先出棧，然后是參數，最后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。堆中的具體內容由程序員安排。

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，在以后的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。

例如:

#include "stdio.h" 
void main(void) 
{
    char    a    =   1; 
    char    c[]   =   "1234567890";
    char   *p    =   "1234567890";
    a    =   c[1];
    a   =   p[1];
    return;
}
對應的匯編代碼    
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，
第二種則要先把指針值讀到 edx中，再根據edx讀取字符，顯然慢了。

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里吃飯，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肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。