堆疊儲存部件回顧

2021-09-20 07:12:30 字數 3941 閱讀 8664

在計算機領域,堆疊是乙個不容忽視的概念,但是很多人甚至是計算機專業的人也沒有明確堆疊其實是兩種資料結構。堆疊都是一種資料項按序排列的資料結構,只能在一端(稱為棧頂(top))對資料項進行插入和刪除。

要點:目錄

1.申請方式

2.申請後系統的響應

3.申請大小的限制 

4.申請效率的比較  

5.堆和棧中的儲存內容 

6.訪問效率的比較

7.小結:  

經典講解

參考文獻:

一、預備知識—程式的記憶體分配   乙個由c/c++編譯的程式占用的記憶體分為以下幾個部分

二、例子程式

int a = 0; 全域性初始化區

char *p1; 全域性未初始化區

main() 分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。

strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成乙個地方。

stack: 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 heap: 需要程式設計師自己申請,並指明大小,在c中malloc函式如p1 = (char *)malloc(10); 在c++中用new運算子 如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在棧中的。

另外,在windows下,最好的方式是用virtualalloc

分配記憶體,他不是在堆,也不是在棧,而是直接在程序的位址空間中保留一塊記憶體,雖然用起來最不方便。但是速度快,也最靈活

char s1 = "aaaaaaaaaaaaaaa";  //aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的; 

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; //而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的;

//但是,在以後的訪問中,在棧上的陣列比指標所指向的字串(例如堆)快。

#include

void main()

//對應的彙編**

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串中的元素讀到暫存器cl中,而第二種則要先把指標值讀到edx中,在根據edx讀取字元,顯然慢了。

堆和棧的區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,只管點菜(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餚,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。

作業系統方面的堆和棧,如上面說的那些,不多說了。

還有就是資料結構方面的堆和棧,這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是(滿足堆性質的)優先佇列的一種資料結構,第1個元素有最高的優先權;棧實際上就是滿足後進先出的性質的數學或資料結構。

雖然堆疊,堆疊的說法是連起來叫,但是他們還是有很大區別的,連著叫只是由於歷史的原因。 

堆疊是一種儲存部件,即資料的寫入跟讀出不需要提供位址,而是根據寫入的順序決定讀出的順序

首先,我們舉乙個例子:void f() 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,我們分配了一塊堆記憶體,那麼指標p呢?他分配的是一塊棧記憶體,所以這句話的意思就是:在棧記憶體中存放了乙個指向一塊堆記憶體的指標p。在程式會先確定在堆中分配記憶體的大小,然後呼叫operatornew分配記憶體,然後返回這塊記憶體的首位址,放入棧中,他在vc6下的彙編**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,我們為了簡單並沒有釋放記憶體,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:我刪除的是乙個陣列,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:堆和棧究竟有什麼區別?

主要的區別由以下幾點:

管理方式不同;

空間大小不同;

能否產生碎片不同;

生長方向不同;

分配方式不同;

分配效率不同;

1)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

2)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。

3)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。

4)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。

5)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。

6)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(具體的演算法和作業系統有關)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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