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C語言堆棧入門指南

更新時間：2014年01月16日 08:42:17 作者：

我身邊的一些編程的朋友以及在網(wǎng)上看帖遇到的朋友中有好多也說不清堆棧，所以我想有必要給大家分享一下我對堆棧的看法，有說的不對的地方請朋友們不吝賜教，這對于大家學(xué)習(xí)會有很大幫助

C語言堆棧入門指南

在計算機(jī)領(lǐng)域，堆棧是一個不容忽視的概念，我們編寫的C語言程序基本上都要用到。但對于很多的初學(xué)著來說，堆棧是一個很模糊的概念。堆棧：一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、一個在程序運(yùn)行時用于存放的地方，這可能是很多初學(xué)者的認(rèn)識，因為我曾經(jīng)就是這么想的和匯編語言中的堆棧一詞混為一談。我身邊的一些編程的朋友以及在網(wǎng)上看帖遇到的朋友中有好多也說不清堆棧，所以我想有必要給大家分享一下我對堆棧的看法，有說的不對的地方請朋友們不吝賜教，這對于大家學(xué)習(xí)會有很大幫助。

首先在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上要知道堆棧，盡管我們這么稱呼它，但實際上堆棧是兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：堆和棧。

堆和棧都是一種數(shù)據(jù)項按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

我們先從大家比較熟悉的棧說起吧，它是一種具有后進(jìn)先出性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是說后存放的先取，先存放的后取。這就如同我們要取出放在箱子里面底下的東西（放入的比較早的物體），我們首先要移開壓在它上面的物體（放入的比較晚的物體）。而堆就不同了，堆是一種經(jīng)過排序的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個結(jié)點都有一個值。通常我們所說的堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是指二叉堆。堆的特點是根結(jié)點的值最?。ɑ蜃畲螅腋Y(jié)點的兩個子樹也是一個堆。由于堆的這個特性，常用來實現(xiàn)優(yōu)先隊列，堆的存取是隨意，這就如同我們在圖書館的書架上取書，雖然書的擺放是有順序的，但是我們想取任意一本時不必像棧一樣，先取出前面所有的書，書架這種機(jī)制不同于箱子，我們可以直接取出我們想要的書。

然而我要說的重點并不在這，我要說的堆和棧并不是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的堆和棧，之所以要說數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的堆和棧是為了和后面我要說的堆區(qū)和棧區(qū)區(qū)別開來，請大家一定要注意。

下面就說說C語言程序內(nèi)存分配中的堆和棧，這里有必要把內(nèi)存分配也提一下，大家不要嫌我啰嗦，一般情況下程序存放在Rom或Flash中，運(yùn)行時需要拷到內(nèi)存中執(zhí)行，內(nèi)存會分別存儲不同的信息，如下圖所示：

內(nèi)存中的棧區(qū)處于相對較高的地址以地址的增長方向為上的話，棧地址是向下增長的，棧中分配局部變量空間，堆區(qū)是向上增長的用于分配程序員申請的內(nèi)存空間。另外還有靜態(tài)區(qū)是分配靜態(tài)變量，全局變量空間的；只讀區(qū)是分配常量和程序代碼空間的；以及其他一些分區(qū)。

來看一個網(wǎng)上很流行的經(jīng)典例子：
main.cpp
int a = 0; 全局初始化區(qū)
char *p1; 全局未初始化區(qū)
main()
{
int b; 棧
char s[] = "abc"; 棧
char *p2; 棧
char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區(qū)，p3在棧上。
static int c =0；全局（靜態(tài)）初始化區(qū)
p1 = (char *)malloc(10); 堆
p2 = (char *)malloc(20); 堆
}

不知道你是否有點明白了，堆和棧的第一個區(qū)別就是申請方式不同：棧（英文名稱是stack）是系統(tǒng)自動分配空間的，例如我們定義一個 char a；系統(tǒng)會自動在棧上為其開辟空間。而堆（英文名稱是heap）則是程序員根據(jù)需要自己申請的空間，例如malloc（10）；開辟十個字節(jié)的空間。由于棧上的空間是自動分配自動回收的，所以棧上的數(shù)據(jù)的生存周期只是在函數(shù)的運(yùn)行過程中，運(yùn)行后就釋放掉，不可以再訪問。而堆上的數(shù)據(jù)只要程序員不釋放空間，就一直可以訪問到，不過缺點是一旦忘記釋放會造成內(nèi)存泄露。還有其他的一些區(qū)別我認(rèn)為網(wǎng)上的朋友總結(jié)的不錯這里轉(zhuǎn)述一下：

1.申請后系統(tǒng)的響應(yīng)
棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報異常提示棧溢出。

堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)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(jié)點，然后將該結(jié)點從空閑結(jié)點鏈表中刪除，并將該結(jié)點的空間分配給程序，另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，會在這塊內(nèi)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(nèi)存空間。另外，由于找到的堆結(jié)點的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

也就是說堆會在申請后還要做一些后續(xù)的工作這就會引出申請效率的問題

2.申請效率的比較
棧由系統(tǒng)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(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過用起來最方便.

3.申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)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(shù)），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(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)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(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4.堆和棧中的存儲內(nèi)容
棧：在函數(shù)調(diào)用時，第一個進(jìn)棧的是主函數(shù)中函數(shù)調(diào)用后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。

當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點繼續(xù)運(yùn)行。

堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。

5.存取效率的比較　
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運(yùn)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(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?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(yīng)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