【C++基础 01】堆和栈的概念

 

好记性不如烂笔头，学习c++的时间也不是很久，趁着这段时间看 《C++ Primer》将学习笔记整理一下，与君共勉。

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首先要区分一下概念：

【数据结构的栈和堆】

堆：也叫优先队列，是一棵完全二叉树，它的特点是父节点的值大于（小于）两个子节点的值（分别称为大顶堆和小顶堆）。它常用于管理算法执行过程中的信息，应用场景包括堆排序，优先队列等。

栈：具有后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。

引用百科的一句话来说，堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶)对数据项进行插入(push)和删除(pop)，因而按照后进先出的原理运作。

【内存中的堆和栈】

我们先看一张图

内存中的堆区处于相对较低的地址以地址的增长方向为上的话，堆地址是向上增长的。

内存中的栈区处于相对较高的地址以地址的增长方向为上的话，栈地址是向下增长的。

 明白了概念后，我们来看一下：（下面所说均为内存中的堆栈，摘自百度百科）

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数名，局部变量的名等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap）— 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。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。

3、全局区（静态区）（static）—全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。

4、文字常量区—常量字符串就是放在这里的，程序结束后由系统释放 。

5、程序代码区— 存放函数体的二进制代码。

 

下面我们来看一段代码

//main.cpp
int a = 0;     //全局初始化区 
char* p1;      //全局未初始化区
void 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);    //分配得来的10和20字节的区域就在堆区。
}

栈区的变量由编译器控制，分配空间和释放。

堆区的变量需要程序员自己申请和释放，比如

//c语言中： 
char* p1 = (char *)malloc(10*sizeof(char)); 
free(p1);
//对应在C++中： 
char* p=new char[128]; 
delete []p;

然后下面是堆和栈的一些比较：

申请响应

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。

申请限制

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。

效率比较

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,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活

存储内容

栈： 在函数调用时，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。堆中的具体内容由程序员安排。
存取比较

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，再根据edx读取字符，显然慢了。

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。

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