程式的記憶體配置設定之堆和棧的差別

堆棧概述

  在計算機領域，堆棧是一個不容忽視的概念，堆棧是兩種資料結構。堆棧都是一種資料項按序排列的資料結構，隻能在一端(稱為棧頂(top))對資料項進行插入和删除。在單片機應用中，堆棧是個特殊的存儲區，主要功能是暫時存放資料和位址，通常用來保護斷點和現場。

要點： 

堆，優先隊列(priority queue)；普通的隊列是一種先進先出的資料結構（FIFO—First-In/First-Out），元素在隊列尾追加，而從隊列頭删除，（例如：乘車排隊，先來的排在前面先上車，後來的就要排的後面後上車; 哎，哎，你怎麼插隊呢，學沒學過隊列）；在優先隊列中，元素被賦予優先級。當通路元素時，具有最高優先級的元素最先取出。優先隊列具有最進階先出 （largest-in，first-out）的行為特征。

棧，先進後出(FILO—First-In/Last-Out)（例如：超市排隊結賬，大一點的超市收銀台都是一段狹長的過道，本來下一個是你了，突然這個收銀台說不結了，OK，棧形成了，排在前面的要後出去了）。

一、程式的記憶體配置設定

1、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。

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。 程式結束後由系統釋放。

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。

2、變量的存儲方式

  首先，定義靜态變量時如果沒有初始化編譯器會自動初始化為0.。接下來，如果是使用常量表達式初始化了變量，則編譯器僅根據檔案内容（包括被包含的頭檔案）就可以計算表達式，編譯器将執行常量表達式初始化。必要時，編譯器将執行簡單計算。如果沒有足夠的資訊，變量将被動态初始化。請看一下代碼：

int global_1=;//靜态變量外部連結性常量表達式初始化
int global_2;//靜态變量外部連結性零初始化
static int one_file_1=;//靜态變量内部連結性常量表達式初始化
static int one_file_2;//靜态變量内部連結性零初始化
int main()
{
static int count_1=;//靜态變量無連結性常量表達式初始化
static int count_2;//靜态變量無連結性零初始化
return ;
}           

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  所有的靜态持續變量都有下述初始化特征：未被初始化的靜态變量的所有位都被設為0。這種變量被稱為零初始化。以上代碼說明關鍵字static的兩種用法，但含義有些不同：用于局部聲明，以指出變量是無連結性的靜态變量時，static表示的是存儲持續性；而用于代碼塊外聲明時，static表示内部連結性，而變量已經是靜态持續性了。有人稱之為關鍵字重載，即關鍵字的含義取決于上下文。

二、C/C++堆和棧的差別

1.管理方式不同

棧，由編譯器自動管理，無需程式員手工控制；堆：産生和釋放由程式員控制。

2. 空間大小不同

棧的空間有限；堆記憶體可以達到4G，。

3. 能否産生碎片不同

棧不會産生碎片，因為棧是種先進後出的隊列。堆則容易産生碎片，多次的new/delete 

會造成記憶體的不連續，進而造成大量的碎片。

4. 生長方向不同

堆的生長方式是向上的，棧是向下的。

5. 配置設定方式不同

堆是動态配置設定的。棧可以是靜态配置設定和動态配置設定兩種，但是棧的動态配置設定由編譯器釋放。

6. 緩存級别不同：

　　1)、棧使用的是一級緩存， 他們通常都是被調用時處于存儲空間中，調用完畢立即釋放； 

　　2)、堆是存放在二級緩存中，生命周期由虛拟機的垃圾回收算法來決定（并不是一旦成為孤兒對象就能被回收）。是以調用這些對象的速度要相對來得低一些。

7. 配置設定效率不同

  棧是機器系統提供的資料結構，計算機底層對棧提供支援：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。堆則是由C/C++函數庫提供，庫函數會按照一定的算法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。 

  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。 

  棧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。

例子程式

//main.cpp    
  int   a   =   ;   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";   /在常量區，p3在棧上。    
  static   int   c   =；   全局（靜态）初始化區    
  p1   =   (char   *)malloc();    
  p2   =   (char   *)malloc();    
  配置設定得來得和位元組的區域就在堆區。    
  strcpy(p1,   "123456");   /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。    
  }   
           

堆和棧的理論知識

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 = new char[10]; 

但是注意p1、p2本身是在棧中的。

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。

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。是以，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。

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塊記憶體，雖然用起來最不友善。但是速度快，也最靈活。

5、堆和棧中的存儲内容

棧： 在函數調用時，首先進棧的是函數的各個參數，然後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；在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的（為什麼是由右往左入棧的？），然後是函數中的局部變量。注意靜态變量是不入棧的（存放在靜态區）。 

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。堆中的具體内容由程式員安排。

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： 

#include 

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，再根據edx讀取字元，顯然慢了。

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。