記憶體分配堆與棧的區別

2021-10-01 19:11:10 字數 2183 閱讀 1025

堆(heap)與棧(stack)是開發人員必須面對的兩個概念,在理解這兩個概念時,需要放到具體的場景下,因為不同場景下,堆與棧代表不同的含義。一般情況下,有兩層含義:

(1)程式記憶體布局場景下,堆與棧表示兩種記憶體管理方式;

(2)資料結構場景下,堆與棧表示兩種常用的資料結構。

1.程式記憶體分割槽中的堆與棧

1.1 棧簡介

int main()

其中函式中定義的區域性變數按照先後定義的順序依次壓入棧中,也就是說相鄰變數的位址之間不會存在其它變數。棧的記憶體位址生長方向與堆相反,由高到底,所以後定義的變數位址低於先定義的變數,比如上面**中變數 s 的位址小於變數 b 的位址,p2 位址小於 s 的位址。棧中儲存的資料的生命週期隨著函式的執行完成而結束。

1.2 堆簡介

int main()

{ // c 中用 malloc() 函式申請

char* p1 = (char *)malloc(10);

cout<<(int*)p1《其中 p1 所指的 10 位元組的記憶體空間與 p2 所指的 10 位元組記憶體空間都是存在於堆。堆的記憶體位址生長方向與棧相反,由低到高,但需要注意的是,後申請的記憶體空間並不一定在先申請的記憶體空間的後面,即 p2 指向的位址並不一定大於 p1 所指向的記憶體位址,原因是先申請的記憶體空間一旦被釋放,後申請的記憶體空間則會利用先前被釋放的記憶體,從而導致先後分配的記憶體空間在位址上不存在先後關係。堆中儲存的資料若未釋放,則其生命週期等同於程式的生命週期。

關於堆上記憶體空間的分配過程,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,當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節點,然後將該節點從空閒節點鍊錶中刪除,並將該節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delete語句才能正確地釋放本記憶體空間。由於找到的堆節點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動地將多餘的那部分重新放入空閒鍊錶。

1.3 堆與棧區別

堆與棧實際上是作業系統對程序占用的記憶體空間的兩種管理方式,主要有如下幾種區別:

(1)管理方式不同。棧由作業系統自動分配釋放,無需我們手動控制;堆的申請和釋放工作由程式設計師控制,容易產生記憶體洩漏;

(2)空間大小不同。每個程序擁有的棧的大小要遠遠小於堆的大小。理論上,程式設計師可申請的堆大小為虛擬記憶體的大小,程序棧的大小 64bits 的 windows 預設 1mb,64bits 的 linux 預設 10mb;

(3)生長方向不同。堆的生長方向向上,記憶體位址由低到高;棧的生長方向向下,記憶體位址由高到低。

(4)分配方式不同。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。靜態分配是由作業系統完成的,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,他的動態分配是由作業系統進行釋放,無需我們手工實現。

(5)分配效率不同。棧由作業系統自動分配,會在硬體層級對棧提供支援: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。堆則是由c/c++提供的庫函式或運算子來完成申請與管理,實現機制較為複雜,頻繁的記憶體申請容易產生記憶體碎片。顯然,堆的效率比棧要低得多。

(6)存放內容不同。棧存放的內容,函式返回位址、相關引數、區域性變數和暫存器內容等。當主函式呼叫另外乙個函式的時候,要對當前函式執行斷點進行儲存,需要使用棧來實現,首先入棧的是主函式下一條語句的位址,即擴充套件指標暫存器的內容(eip),然後是當前棧幀的底部位址,即擴充套件基址指標暫存器內容(ebp),再然後是被調函式的實參等,一般情況下是按照從右向左的順序入棧,之後是被調函式的區域性變數,注意靜態變數是存放在資料段或者bss段,是不入棧的。出棧的順序正好相反,最終棧頂指向主函式下一條語句的位址,主程式又從該位址開始執行。堆,一般情況堆頂使用乙個位元組的空間來存放堆的大小,而堆中具體存放內容是由程式設計師來填充的。

從以上可以看到,堆和棧相比,由於大量malloc()/free()或new/delete的使用,容易造成大量的記憶體碎片,並且可能引發使用者態和核心態的切換,效率較低。棧相比於堆,在程式中應用較為廣泛,最常見的是函式的呼叫過程由棧來實現,函式返回位址、ebp、實參和區域性變數都採用棧的方式存放。雖然棧有眾多的好處,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,主要還是用堆。

無論是堆還是棧,在記憶體使用時都要防止非法越界,越界導致的非法記憶體訪問可能會摧毀程式的堆、棧資料,輕則導致程式執行處於不確定狀態,獲取不到預期結果,重則導致程式異常崩潰,這些都是我們程式設計時與記憶體打交道時應該注意的問題。

c c 記憶體分配(棧與堆的區別)

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