堆(Heap)和栈(stack)主要的区别有以下几点:
1、存储内容不同;
2、管理分配不同;
3、生长方向不同;
4、空间大小不同;
5、系统响应不同;
6、有无碎片不同;
7、分配效率不同;
存储内容:对堆来说,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;对栈来说,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。
管理分配:堆是动态分配的,释放工作由程序员控制,容易产生内存泄露;栈是静态分配的,由编译器自动管理。
生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向,这是由于系统是用链表来存储空闲内存地址的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。
空间大小:堆是用链表来存储空闲内存地址的,其大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间;而对栈来说,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。当然,我们可以修改:打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在 Category 中选中 Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和 commit。
注意:reserve最小值为4Byte;commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。
系统响应:对堆来讲,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;对栈来说,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。
碎片问题:对于堆来讲,频繁的 new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出。
分配效率:栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是 C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。
注: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块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。
从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量 new/delete的使用,容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP 和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用堆。 虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结 果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果,就算是在你的程 序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug可是相当困难的。