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c語(yǔ)言stack(棧)和heap(堆)的使用詳解

更新時(shí)間：2014年04月01日 16:50:17 作者：

這篇文章主要介紹了c語(yǔ)言stack(棧)和heap(堆)的使用詳解,需要的朋友可以參考下

一、預(yù)備知識(shí)—程序的內(nèi)存分配

一個(gè)由C/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個(gè)部分

1、棧區(qū)（stack）—由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類(lèi)似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。
2、堆區(qū)（heap）—一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類(lèi)似于鏈表。
3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域，未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
4、文字常量區(qū)—常量字符串就是放在這里的。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。

二、例子程序

復(fù)制代碼代碼如下:

//main.cpp
 int a=0;  //全局初始化區(qū)
 char *p1;  //全局未初始化區(qū)
 main()
 {
  intb;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);
  p2 = (char*)malloc(20);  //分配得來(lái)得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。
  strcpy(p1,"123456");  //123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)將它與p3所向"123456"優(yōu)化成一個(gè)地方。
}

三、堆和棧的理論知識(shí)
2.1申請(qǐng)方式
stack:
由系統(tǒng)自動(dòng)分配。例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量int b;系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b開(kāi)辟空間

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

2.2申請(qǐng)后系統(tǒng)的響應(yīng)
棧：只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。
堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)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(yǔ)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(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

2.3申請(qǐng)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(huà)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(shuō)是1M，總之是一個(gè) 編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請(qǐng)的空間超過(guò)棧的剩余空間時(shí)，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(lái)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見(jiàn)，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

2.4申請(qǐng)效率的比較：
棧:由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無(wú)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(guò)用起來(lái)最方便。另外，在WINDOWS下，最好的方式是用Virtual Alloc分配內(nèi)存，他不是在堆，也不是在棧,而是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一塊內(nèi)存，雖然用起來(lái)最不方便。但是速度快，也最靈活。

2.5堆和棧中的存儲(chǔ)內(nèi)容
棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句的下一條可執(zhí)行語(yǔ)句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)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(kāi)始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。
堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容由程序員安排。

2.6存取效率的比較

復(fù)制代碼代碼如下:

char s1[]="aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2="bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運(yùn)行時(shí)刻賦值的；而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)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
int main()
{
char a=1;
char c[]="1234567890";
char *p="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return 1;
}

對(duì)應(yīng)的匯編代碼

復(fù)制代碼代碼如下:

10:a=c[1];
004010678A4DF1movcl,byteptr[ebp-0Fh]
0040106A884DFCmovbyteptr[ebp-4],cl
11:a=p[1];
0040106D8B55ECmovedx,dwordptr[ebp-14h]
004010708A4201moval,byteptr[edx+1]
004010738845FCmovbyteptr[ebp-4],al

第一種在讀取時(shí)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(jù)edx讀取字符，顯然慢了。
2.7小結(jié)
堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來(lái)看出：使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜（發(fā)出申請(qǐng)）、付錢(qián)、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)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(dòng)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。

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