堆和棧的差別

一、預備知識—程式的記憶體配置設定

一個由c/C++編譯的程式占用的記憶體分為以下幾個部分

1、棧區（stack）—      由編譯器自動配置設定釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似于資料結構中的棧。

2、堆區（heap） —      一般由程式員配置設定釋放， 若程式員不釋放，程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，配置設定方式倒是類似于連結清單，呵呵。

3、全局區（靜态區）（static）—，全局變量和靜态變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜态變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜态變量在相鄰的另一塊區域。 - 程式結束後有系統釋放 

4、文字常量區     —常量字元串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放

5、程式代碼區—存放函數體的二進制代碼。

二、例子程式 

這是一個前輩寫的，非常詳細 

//main.cpp 

int a = 0; 全局初始化區 

char *p1; 全局未初始化區 

main() 

{ 

int b; 棧 

char s[] = "abc"; 棧 

char *p2; 棧 

char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區，p3在棧上。 

static int c =0； 全局（靜态）初始化區 

p1 = (char *)malloc(10); 

p2 = (char *)malloc(20); 

配置設定得來得10和20位元組的區域就在堆區。 

strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量區，編譯器可能會将它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。 

}

二、堆和棧的理論知識 

2.1申請方式 

stack: 

由系統自動配置設定。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為b開辟空間 

heap: 

需要程式員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數 

如p1 = (char *)malloc(10); 

在C++中用new運算符 

如p2 = (char *)malloc(10); 

但是注意p1、p2本身是在棧中的。

2.2 

申請後系統的響應 

棧：隻要棧的剩餘空間大于所申請空間，系統将為程式提供記憶體，否則将報異常提示棧溢出。 

堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閑記憶體位址的連結清單，當系統收到程式的申請時， 

會周遊該連結清單，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然後将該結點從空閑結點連結清單中删除，并将該結點的空間配置設定給程式，另外，對于大多數系統，會在這塊 記憶體空間中的首位址處記錄本次配置設定的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正确的釋放本記憶體空間。另外，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的 大小，系統會自動的将多餘的那部分重新放入空閑連結清單中。

2.3申請大小的限制 

棧：在Windows下,棧是向低位址擴充的資料結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的位址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就确定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，将提示overflow。因 此，能從棧獲得的空間較小。 

堆：堆是向高位址擴充的資料結構，是不連續的記憶體區域。這是由于系統是用連結清單來存儲的空閑記憶體位址的，自然是不連續的，而連結清單的周遊方向是由低位址向高位址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛拟記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

2.4申請效率的比較： 

棧由系統自動配置設定，速度較快。但程式員是無法控制的。 

堆是由new配置設定的記憶體，一般速度比較慢，而且容易産生記憶體碎片,不過用起來最友善. 

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc配置設定記憶體，他不是在堆，也不是在棧是直接在程序的位址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不友善。但是速度快，也最靈活。

2.5堆和棧中的存儲内容 

棧： 在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的位址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變量。注意靜态變量是不入棧的。 

當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，然後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的位址，也就是主函數中的下一條指令，程式由該點繼續運作。 

堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體内容有程式員安排。

2.6存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 

aaaaaaaaaaa是在運作時刻指派的； 

而bbbbbbbbbbb是在編譯時就确定的； 

但是，在以後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字元串(例如堆)快。 

比如： 

＃i nclude 

void main() 

char a = 1; 

char c[] = "1234567890"; 

char *p ="1234567890"; 

a = c[1]; 

a = p[1]; 

return; 

} 

對應的彙編代碼 

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 

第一種在讀取時直接就把字元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edx讀取字元，顯然慢了。

2.7小結： 

堆和棧的差別可以用如下的比喻來看出： 

使用棧就象我們去飯館裡吃飯，隻管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、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。

下面是另一篇，總結的比上面好：

堆和棧的聯系與差別dd

      在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，是以我決定拿他第一個開刀。

       首先，我們舉一個例子：

       void f() { int* p=new int[5]; }

       這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應該想到，我們配置設定了一塊堆記憶體，那麼指針p呢？他配置設定的是一塊棧記憶體，是以這句話的意思就是： 在棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指針p。在程式會先确定在堆中配置設定記憶體的大小，然後調用operator new配置設定記憶體，然後傳回這塊記憶體的首位址，放入棧中，他在VC6下的彙編代碼如下：

       00401028      push           14h

       0040102A      call           operator new (00401060)

       0040102F      add            esp,4

       00401032      mov            dword ptr [ebp-8],eax

       00401035      mov            eax,dword ptr [ebp-8]

       00401038      mov            dword ptr [ebp-4],eax

       這裡，我們為了簡單并沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？澳，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我删除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie資訊去進行釋放記憶體的工作。

       好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼差別？

       主要的差別由以下幾點：

       1、管理方式不同；

       2、空間大小不同；

       3、能否産生碎片不同；

       4、生長方向不同；

       5、配置設定方式不同；

       6、配置設定效率不同；

       管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，釋放工作由程式員控制，容易産生memory leak。

       空間大小：一般來講在32位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：    

       打開工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。

注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛拟記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開辟較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。

       碎片問題：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，進而造成大量的碎片，使程式效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題， 因為棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至于永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧内容已經被彈出，詳細的 可以參考資料結構，這裡我們就不再一一讨論了。

       生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向着記憶體位址增加的方向；對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向着記憶體位址減小的方向增長。

       配置設定方式：堆都是動态配置設定的，沒有靜态配置設定的堆。棧有2種配置設定方式：靜态配置設定和動态配置設定。靜态配置設定是編譯器完成的，比如局部變量的配置設定。動态配置設定由 alloca函數進行配置設定，但是棧的動态配置設定和堆是不同的，他的動态配置設定是由編譯器進行釋放，無需我們手工實作。

       配置設定效率：棧是機器系統提供的資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：配置設定專門的寄存器存放棧的位址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比 較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了配置設定一塊記憶體，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考資料結構/作業系統）在堆 記憶體中搜尋可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于記憶體碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就有機會分 到足夠大小的記憶體，然後進行傳回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

       從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由于沒有專門的系統支援，效率很低；由于可能引發使用者态 和核心态的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。是以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，傳回位址， EBP和局部變量都采用棧的方式存放。是以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

       雖然棧有如此衆多的好處，但是由于和堆相比不是那麼靈活，有時候配置設定大量的記憶體空間，還是用堆好一些。

       無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，産生以想不到的結果,就 算是在你的程式運作過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的 :)    對了，還有一件事，如果有人把堆棧合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵, 清楚了？

本文轉自左正部落格園部落格，原文連結：http://www.cnblogs.com/soundcode/archive/2012/01/31/2332604.html，如需轉載請自行聯系原作者