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C語言之棧和堆（Stack && Heap）的優(yōu)缺點(diǎn)及其使用區(qū)別

更新時(shí)間：2015年07月22日 09:16:45 作者：Scottzg

本篇文章主要介紹了什么是棧（Stack）、什么是堆（ Heap），以及棧和堆的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹了應(yīng)該什么時(shí)候使用堆和棧,有需要的朋友可以參考下

一、前言

直到現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了我們?nèi)绾温暶鞒Ａ款愋停鏸nt,double,等等，還有復(fù)雜的例如數(shù)組和結(jié)構(gòu)體等。我們聲明他們有各種語言的語法，例如Matlab，Python等等。在C語言中，把這些變量放在棧內(nèi)存中。

二、基礎(chǔ)

1、棧

什么是棧，它是你的電腦內(nèi)存的一個(gè)特別區(qū)域，它用來存儲(chǔ)被每一個(gè)function（包括mian（）方法）創(chuàng)建的臨時(shí)變量。棧是FILO，就是先進(jìn)后出原則的結(jié)構(gòu)體，它密切的被CPU管理和充分利用。每次function聲明一個(gè)新的變量，它就會(huì)被“推”到棧中。然后每次一個(gè)function退出時(shí)，所有關(guān)于這個(gè)函數(shù)中定義的變量都會(huì)被釋放（換句話說就是刪除）。一旦棧中的變量釋放，這塊區(qū)域就會(huì)變成可用的，提供給其他棧中的變量。

用棧存儲(chǔ)變量的好處是，內(nèi)存是被你管理的。你不用手動(dòng)的創(chuàng)建內(nèi)存，不用當(dāng)你不在需要它的時(shí)候手動(dòng)釋放內(nèi)存。另外，由于CPU組織棧內(nèi)存很高效。讀出和寫入棧變量是很快的。

理解棧的關(guān)鍵是理解概念，當(dāng)一個(gè)function退出時(shí)，所有它的變量都會(huì)從棧中彈出,以后都會(huì)永遠(yuǎn)消失。因此棧中的變量本質(zhì)是局部的。這和我們?cè)瓉砝斫鉃樽兞孔饔糜蚧蛘弑镜鼗蛘呷肿兞渴窍嚓P(guān)的。在C中，一個(gè)公共的bug 是從你程序中的一個(gè)function外嘗試訪問一個(gè)在棧中的這個(gè)function的變量（在該function已經(jīng)退出后）。

關(guān)于棧的另一個(gè)特點(diǎn)我們應(yīng)該記住，就是存儲(chǔ)再棧中的變量的大小有限制。而堆上創(chuàng)建變量不用考慮。

總結(jié)棧：
      a、棧的生長(zhǎng)和伸縮就是函數(shù)壓入或者推出局部變量。
      b、我們不用自己去管理內(nèi)存，變量創(chuàng)建和釋放都是自動(dòng)的。
      c、棧中的變量只有在函數(shù)創(chuàng)建運(yùn)行時(shí)存在。

2、堆

堆也是我們的計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的一個(gè)區(qū)域，但是他不是自動(dòng)管理的。而且也不是被CPU密切的管理著。它是一片更加自由的內(nèi)存區(qū)域（很大）。要想在堆上創(chuàng)建內(nèi)存，我們必須使用malloc() 或者calloc（），他們都是C語言編譯的。一旦你在堆上分配內(nèi)存，當(dāng)你不在需要的時(shí)候你必須用free()去銷毀。如果你不銷毀或者銷毀失敗，你的程序就會(huì)有內(nèi)存泄露。換句話說就是堆內(nèi)存會(huì)一直在，其他進(jìn)程無法使用。我們將會(huì)再調(diào)試部分看到，那里有一個(gè)叫做Valgrind的東西，它可以幫助你發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄露。

不像棧，堆沒有變量大小的限制（除了你電腦的物理限制條件外）。堆內(nèi)存讀出和寫入都比較慢，因?yàn)樗仨毷褂弥羔槇D訪問堆內(nèi)存。我們將會(huì)下面講解指針。

3、棧和堆的優(yōu)缺點(diǎn)

棧：
          a、快速訪問。
          b、沒有必要明確的創(chuàng)建分類變量，因?yàn)樗亲詣?dòng)管理的。
          c、空間被CPU高效地管理著，內(nèi)存不會(huì)變成碎片。
          d、只有局部變量
          e、受限于棧大小(取決于操作系統(tǒng))
          f、變量不能調(diào)整大小。
        堆：
          a、變量可以被全局訪問
          b、沒有內(nèi)存大小限制
          c、（相對(duì)）訪問比較慢
          d、沒有高效地使用空間，隨著塊內(nèi)存的創(chuàng)建和銷毀，內(nèi)存可能會(huì)變成碎片。
          e、你必須管理內(nèi)存（變量的創(chuàng)建和銷毀你必須要負(fù)責(zé)）
          f、變量大小可以用realloc( )調(diào)整
例如：
          下面是一個(gè)在棧上創(chuàng)建變量的短程序。和我們看到的其他程序類似

 #include <stdio.h>
 double multiplyByTwo (double input) {
 double twice = input * 2.0;
 return twice;
 }
 int main(int argc, const char * argv[]) {
 int age = 30;
 double salary = 12345.67;
 double myList[3] = {1.2,2.3,3.4};
 printf("double your salary is %.3f\n",multiplyByTwo(salary));
 return 0;
 }

　　
運(yùn)行結(jié)果如下： double your salary is 24691.340

在第7，8和9行,我們聲明了三個(gè)變量：一個(gè)int變量、一個(gè)double變量和一個(gè)包含三個(gè)包含double的數(shù)組。這三個(gè)變量在main（）函數(shù)創(chuàng)建，被壓入棧中。當(dāng)main（）函數(shù)退出（程序退出），這些變量就會(huì)出棧。同樣地，在multiplyByTwo函數(shù)中，第二個(gè)double變量，也會(huì)在multiplyByTwo（）函數(shù)創(chuàng)建的時(shí)候壓入棧中。一旦函數(shù)退出，第二個(gè)變量就會(huì)出棧，永遠(yuǎn)地消失。

備注：有一種方法可以告訴C保持一個(gè)棧變量。即使它的創(chuàng)建函數(shù)退出。那就是用static關(guān)鍵字當(dāng)聲明變量的時(shí)候。一個(gè)變量用static關(guān)鍵之聲明，因此就會(huì)變成一個(gè)類似與全局變量的東西。但是它僅僅在創(chuàng)建它的函數(shù)里面可見。這是一個(gè)奇怪的東西，除非你在一個(gè)非常特殊的情況下需要。

下面是另一個(gè)版本的創(chuàng)建變量在堆上而不是在棧上：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
double *multiplyByTwo (double *input) {
 double *twice = malloc(sizeof(double));
 *twice = *input *2.0;
 return twice;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
 int *age = malloc(sizeof(int));
 *age = 30;
 double *salary = malloc(sizeof(double));
 *salary = 12345.67;
 double *myList = malloc(3 * sizeof(double));
 myList[0] = 1.2;
 myList[1] = 3.4;
 myList[2] = 4.5;
 double *twiceSalary = multiplyByTwo(salary);
 
 printf("double your salary is %.3f\n",*twiceSalary);
 
 free(age);
 free(salary);
 free(myList);
 free(twiceSalary);
 
 return 0;
}

　　
正如你所看到的，我們用malloc（）去分配堆內(nèi)存，用free()去釋放它。這樣不是很大的處理，但是很笨重。還有一件要注意的事情是：這樣會(huì)由很多*號(hào)。這些是指針。malloc()（calloc()和free（））函數(shù)處理的是指針而不是真正的數(shù)值。我們將會(huì)在下邊討論指針。指針在C棧是一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)類型，它用來存儲(chǔ)內(nèi)存的地址而不是存儲(chǔ)實(shí)際的values.因此在

*twice = *input *2.0;

　　
這行，twice變量不是一個(gè)double，而是一個(gè)指向double的指針，是double被存儲(chǔ)再內(nèi)存中的地址。

4、什么時(shí)候使用堆

我們應(yīng)該什么時(shí)候使用堆和棧呢？如果我們需要分配一大塊內(nèi)存（例如一個(gè)很大的數(shù)組或者一個(gè)很大的結(jié)構(gòu)體），而且我們需要保持這個(gè)變量很長(zhǎng)時(shí)間（例如全局變量）。我們應(yīng)該分配堆內(nèi)存。如果你處理的很小的變量，而且只要再函數(shù)使用的時(shí)候存活，那么你應(yīng)該使用棧，它比較方便而且快捷。如果你需要類似與數(shù)組或者結(jié)構(gòu)體的變量，而且能夠動(dòng)態(tài)改變大?。ɡ缫粋€(gè)數(shù)組可以根據(jù)需要添加數(shù)據(jù)或者刪除數(shù)據(jù)），那么你可以用malloc(),realloc（)給他們分配堆內(nèi)存，用free()手動(dòng)的管理內(nèi)存。當(dāng)我們討論完指針，我們將會(huì)討論動(dòng)態(tài)分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。

通過以上對(duì)棧和堆的介紹，希望對(duì)大家了解和區(qū)分棧和堆有所幫助。

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