堆和栈的区别 - 码农教程

在 C 语言中，内存分配方式不外乎有如下三种形式：

从静态存储区域分配：它是由编译器自动分配和释放的，即内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在，直到整个程序运行结束时才被释放，如全局变量与 static 变量。
在栈上分配：它同样也是由编译器自动分配和释放的，即在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元将被自动释放。需要注意的是，栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，它的运行效率一般很高，但是分配的内存容量有限。
从堆上分配：也被称为动态内存分配，它是由程序员手动完成申请和释放的。即程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数（如 malloc 函数）来申请任意多少的内存，使用完之后再由程序员自己负责使用内存释放函数（如 free 函数）来释放内存。也就是说，动态内存的整个生存期是由程序员自己决定的，使用非常灵活。需要注意的是，如果在堆上分配了内存空间，就必须及时释放它，否则将会导致运行的程序出现内存泄漏等错误。

栈区（stack）— 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。堆区（heap） — 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收

1.例子程序

int a = 0; 全局初始化区 
char *p1; 全局未初始化区 
main() 
{ 
int b; 栈 
char s[] = "abc";// 栈 
char *p2; //栈 
char *p3 = "123456"; //123456在常量区，p3在栈上。 
static int c =0；// 全局（静态）初始化区 
p1 = (char *)malloc(10); 
p2 = (char *)malloc(20); 
//分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 
strcpy(p1, "123456"); //123456放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。 
}

二、堆和栈的理论知识 2.1申请方式 stack: 由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间 heap: 需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new运算符如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在栈中的。 2.2 申请后系统的响应栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

2.3申请大小的限制栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

2.4申请效率的比较：栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便. 另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

2.5堆和栈中的存储内容栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

2.6存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(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; 
 }

对应的汇编代码


 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

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

2.7小结：堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。