C語言中堆和棧的區別

c語言中堆和棧的區別

c語言程式經過編譯連線後形成編譯、連線後形成的二進位制映像檔案由棧，堆，資料段（由三部分部分組成：唯讀資料段，已經初始化讀寫資料段，未初始化資料段即bbs）和**段組成，如下圖所示：

1.棧區(stack):由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值，區域性變數等值。其操作方式類似於資料結構中的棧。

2.堆區(heap):一般由程式設計師分配釋放，若程式設計師不釋放，則可能會引起記憶體洩漏。注堆和資料結構中的堆疊不一樣，其類是與鍊錶。

3.程式**區：存放函式體的二進位制**。

4.資料段：由三部分組成：

1>唯讀資料段：

唯讀資料段是程式使用的一些不會被更改的資料，使用這些資料的方式類似查表式的操作，由於這些變數不需要更改，因此只需要放置在唯讀儲存器中即可。一般是const修飾的變數以及程式中使用的文字常量一般會存放在唯讀資料段中。

2>已初始化的讀寫資料段：

已初始化資料是在程式中宣告，並且具有初值的變數，這些變數需要占用儲存器的空間，在程式執行時它們需要位於可讀寫的記憶體區域內，並且有初值，以供程式執行時讀寫。在程式中一般為已經初始化的全域性變數，已經初始化的靜態區域性變數(static修飾的已經初始化的變數)

3>未初始化段（bss）：

未初始化資料是在程式中宣告，但是沒有初始化的變數，這些變數在程式執行之前不需要占用儲存器的空間。與讀寫資料段類似，它也屬於靜態資料區。但是該段中資料沒有經過初始化。未初始化資料段只有在執行的初始化階段才會產生，因此它的大小不會影響目標檔案的大小。在程式中一般是沒有初始化的全域性變數和沒有初始化的靜態區域性變數。

1.申請方式

(1)棧（satck）:由系統自動分配。例如，宣告在函式中乙個區域性變數int b;系統自動在棧中為b開闢空間。

(2)堆（heap）:需程式設計師自己申請（呼叫malloc,realloc,calloc）,並指明大小，並由程式設計師進行釋放。容易產生memory leak.

eg:char p;

p = (char *)malloc(sizeof(char));

但是，p本身是在棧中。

2.申請大小的限制

（1）棧：在windows下棧是向底位址擴充套件的資料結構，是一塊連續的記憶體區域(它的生長方向與記憶體的生長方向相反)。棧的大小是固定的。如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。

（2）堆：堆是高位址擴充套件的資料結構（它的生長方向與記憶體的生長方向相同），是不連續的記憶體區域。這是由於系統使用鍊錶來儲存空閒記憶體位址的，自然是不連續的，而鍊錶的遍歷方向是由底位址向高位址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。

3.系統響應：

（1）棧：只要棧的空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢位。

（2）堆：首先應該知道作業系統有乙個記錄空閒記憶體位址的鍊錶，但系統收到程式的申請時，會遍歷該鍊錶，尋找第乙個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒鍊錶中刪除，並將該結點的空間分配給程式，另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首位址處記錄本次分配的大小，這樣，**中的free語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鍊錶中。

說明：對於堆來講，對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，

4.申請效率

（1）棧由系統自動分配，速度快。但程式設計師是無法控制的

（2）堆是由malloc分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生碎片，不過用起來最方便。

5.堆和棧中的儲存內容

（1）棧：在函式呼叫時，第乙個進棧的主函式中後的下一條語句的位址，然後是函式的各個引數，引數是從右往左入棧的，然後是函式中的區域性變數。注：靜態變數是不入棧的。

當本次函式呼叫結束後，區域性變數先出棧，然後是引數，最後棧頂指標指向最開始存的位址，也就是主函式中的下一條指令，程式由該點繼續執行。

（2）堆：一般是在堆的頭部用乙個位元組存放堆的大小。

6.訪問效率

（1）堆：char *s1=」hellow tigerjibo」;是在編譯是就確定的

（2）棧：char s1=」hellow tigerjibo」;是在執行時賦值的；用陣列比用指標速度更快一些，指標在底層彙編中需要用edx暫存器中轉一下，而陣列在棧上讀取。

補充：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：分配專門的暫存器存放棧的位址，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++函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演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（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫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，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

7.分配方式：

（1）堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。

（2）棧有兩種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如區域性變數的分配。動態分配由alloca函式進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的。它的動態分配是由編譯器進行釋放，無需手工實現。

堆和棧究竟有什麼區別？

主要的區別由以下幾點：

1、管理方式不同；

2、空間大小不同；

3、能否產生碎片不同；

4、生長方向不同；

5、分配方式不同；

6、分配效率不同；

管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程式設計師控制，容易產生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。但是對於棧來講，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：

開啟工程，依次操作選單如下：project->setting->link，在category 中選中output，然後在reserve中設定堆疊的最大值和commit。

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

碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進後出的佇列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有乙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內容已經被彈出，詳細的可以參考資料結構，這裡我們就不再一一討論了。

生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體位址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體位址減小的方向增長。

分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如區域性變數的分配。動態分配由 alloca函式進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

分配效率：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：分配專門的暫存器存放棧的位址，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++函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演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（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫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，然後進行返回。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，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的記憶體碎片；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於可能引發使用者態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函式的呼叫也利用棧去完成，函式呼叫過程中的引數，返回位址， ebp和區域性變數都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，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，產生以想不到的結果,就算是在你的程式執行過程中，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 :)

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