C/C++的記憶體配置設定？棧和堆的差別？為什麼棧快？

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，存放為運作函數而配置設定的局部變量、函數參數、傳回資料、傳回位址等。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 。配置設定方式類似于連結清單；
3. 全局區（靜态區)(static）——存放全局變量、靜态資料。初始化的資料放在一塊區域，未初始化的資料放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（類成員函數和全局函數）的二進制代碼。

注意：

1. 在所有函數體外定義的是全局變量
2. 加了static修飾符後不管在哪裡都存放在全局區（靜态區）
3. 在所有函數體外定義的static變量表示在該檔案中有效，不能extern到别的檔案用
4. 在函數體内定義的static表示隻在該函數體内有效
5. 函數中的常量字元串存放在常量區

堆和棧的比較

1. 申請方式

   stack: 由系統自動配置設定。

   heap: 需要程式員自己申請，并指明大小，在 C 中 用malloc 函數， C++ 中是 new 運算符。

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。

   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。

   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。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 , 不過用起來友善 。

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。

6. 存取效率的比較

char s1[] = /"a/";
char *s2 = /"b/";      

比如：

a 是在運作時刻指派的；

b 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：

int main()
{
    char a = 1;
    char c[] = /"1234567890/";
    char *p =/"1234567890/";
    a = c[1];
    a = p[1];
    return 0;
}      

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。

綜上，堆和棧的主要差別我們就明白了，

我們可以做一個比喻：

使用棧就像我們去飯館裡吃飯，隻管點菜（申請）、付錢、吃（使用），吃完了就走，不用理會這個過程，比如切菜、洗菜以及洗碗等掃尾工作，好處是快捷，但是自由度小。

使用堆，就像是自己動手做喜歡吃的菜肴，需要自己動手，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

為什麼棧快？

在具體的C/C++程式設計架構中，這兩個概念并不是并行的。棧是機器系統提供的資料結構，而堆棧是C/C++函數庫提供的。

具體來說，現代計算機，都直接在代碼底層支援棧的資料結構。這展現在，有專門的寄存器指向棧所在的位址，有專門的機器指令完成資料入棧出棧的操作。這種機制的特點是效率高，支援的資料有限，一般是整數，指針，浮點數等系統支援的資料類型，并不直接支援其他的資料結構。

和棧不同，堆的資料結構并不是由系統支援的，而是有函數庫提供的。基本的malloc/realloc/free函數維護了一套内部的堆資料結構。當程式使用這些函數去獲得新的記憶體空間時，這套函數首先試圖從内部堆中尋找可用的記憶體空間，如果沒有可以使用的記憶體空間，則試圖利用系統調用來動态增加程式資料段的記憶體大小，新配置設定得到的空間首先被組織進内部堆中去，然後再以适當的形式傳回給調用者。當程式釋放配置設定的記憶體空間時，這片記憶體空間被傳回内部堆結構中，可能會被适當的處理，比如和其他空間合并成更大的空閑空間。

使用這麼複雜的機制有如下原因：

1. 系統調用可能不支援任意大小的記憶體配置設定。有些系統的系統調用隻支援固定大小及其倍數的記憶體請求（按頁配置設定)；這樣的話對于大量的小記憶體分類會造成浪費。
2. 系統調用申請記憶體代價昂貴，涉及使用者态和核心态的轉換
3. 沒有管理的記憶體配置設定在大量複雜記憶體的配置設定釋放下很容易造成記憶體碎片。