堆和棧--記憶體配置設定

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：

#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，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。

一、一個經過編譯的C/C++的程式占用的記憶體分成以下幾個部分：

1、棧區（stack）：由編譯器自動配置設定和釋放 ，存放函數的參數值、局部變量的值等，甚至函數的調用過程都是用棧來完成。其操作方式類似于資料結構中的棧。

2、堆區（heap） ：一般由程式員手動申請以及釋放， 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空間。

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空間。

5、程式代碼區：存放函數體的二進制代碼。

下面的例子可以完全展示不同的變量所占的記憶體區域：

//main.cpp

int a = 0; 全局初始化區

char *p1; 全局未初始化區

main()

{

   int b; //棧中

   char s[] = "abc"; //棧中

   char *p2; //棧中

   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

   //以下配置設定得到的10和20位元組的區域就在堆區

   p1 = (char *)malloc(10);

   p2 = new char[20];//(char *)malloc(20);

   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、棧（stack）和堆（heap）具體的差別。

1、在申請方式上

棧（stack）: 現在很多人都稱之為堆棧，這個時候實際上還是指的棧。它由編譯器自動管理，無需我們手工控制。 例如，聲明函數中的一個局部變量 int b 系統自動在棧中為b開辟空間；在調用一個函數時，系統自動的給函數的形參變量在棧中開辟空間。

堆（heap）: 申請和釋放由程式員控制，并指明大小。容易産生memory leak。

在C中使用malloc函數。

如：p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new運算符。

如：p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);

但是注意p1本身在全局區，而p2本身是在棧中的，隻是它們指向的空間是在堆中。

2、申請後系統的響應上

棧（stack）: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（heap）: 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或free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（stack）: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。 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。

堆（heap）: 堆是向高位址擴充的資料結構，是不連續的記憶體區域（空閑部分用連結清單串聯起來）。正是由于系統是用連結清單來存儲空閑記憶體，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。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。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也 比較大。

4、配置設定空間的效率上

棧（stack）: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。但程式員無法對其進行控制。

堆（heap）:是C/C++函數庫提供的，由new或malloc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。它的機制是很複雜的，例如為了分 配一塊記憶體，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。這樣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。顯然，堆的效率比棧要低得多。

5、堆和棧中的存儲内容

棧（stack）:在函數調用時，第一個進棧的是主函數中子函數調用後的下一條指令（子函數調用語句的下一條可執行語句）的位址，然後是子函數的各個形 參。在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是子函數中的局部變量。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，也就是主函數中子函數調用完成的下一條指令，程式由該點繼續運作。

堆（heap）: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

這個應該是顯而易見的。拿棧上的數組和堆上的數組來說：

void main()

{

   int arr[5]={1,2,3,4,5};

   int *arr1;

   arr1=new int[5];

   for (int j=0;j<=4;j++)

   {

   arr1[j]=j+6;

   }

   int a=arr[1];

   int b=arr1[1];

}

上面代碼中，arr1（局部變量）是在棧中，但是指向的空間确在堆上，兩者的存取效率，當然是arr高。因為arr[1]可以直接通路，但是通路arr1[1]，首先要通路數組的起始位址arr1，然後才能通路到arr1[1]。

總而言之，言而總之：

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（聲明變量）、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。