關(guān)于堆棧和靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)內(nèi)存的理解

預(yù)備知識(shí)—程序的內(nèi)存分配

一個(gè)由C/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個(gè)部分

棧區(qū)(stack)— 由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

堆區(qū)(heap) — 一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表。

全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))(static)—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量、未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后有系統(tǒng)釋放

文字常量區(qū) —常量字符串就是放在這里的。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放

程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。

一個(gè)正常的程序在內(nèi)存中通常分為程序段、數(shù)據(jù)端、堆棧三部分。程序段里放著程序的機(jī)器碼、只讀數(shù)據(jù)，這個(gè)段通常是只讀，對它的寫操作是非法的。數(shù)據(jù)段放的是程序中的靜態(tài)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)則通過堆棧來存放。

在內(nèi)存中，它們的位置如下：

+------------------+ 內(nèi)存低端

| 程序段 |

|------------------|

| 數(shù)據(jù)段 |

|------------------|

| 堆棧 |

+------------------+ 內(nèi)存高端

堆棧是內(nèi)存中的一個(gè)連續(xù)的塊。一個(gè)叫堆棧指針的寄存器(SP)指向堆棧的棧頂。堆棧的底部是一個(gè)固定地址。堆棧有一個(gè)特點(diǎn)就是，后進(jìn)先出。也就是說，后放入的數(shù)據(jù)第一個(gè)取出。它支持兩個(gè)操作，PUSH和POP。PUSH是將數(shù)據(jù)放到棧的頂端，POP是將棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出。

在高級語言中，程序函數(shù)調(diào)用、函數(shù)中的臨時(shí)變量都用到堆棧。為什么呢?因?yàn)樵谡{(diào)用一個(gè)函數(shù)時(shí)，我們需要對當(dāng)前的操作進(jìn)行保護(hù)，也為了函數(shù)執(zhí)行后，程序可以正確的找到地方繼續(xù)執(zhí)行，所以參數(shù)的傳遞和返回值也用到了堆棧。通常對局部變量的引用是通過給出它們對SP的偏移量來實(shí)現(xiàn)的。另外還有一個(gè)基址指針(FP，在Intel芯片中是BP)，許多編譯器實(shí)際上是用它來引用本地變量和參數(shù)的。通常，參數(shù)的相對FP的偏移是正的，局部變量是負(fù)的。

當(dāng)程序中發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)，計(jì)算機(jī)做如下操作：首先把參數(shù)壓入堆棧;然后保存指令寄存器(IP)中的內(nèi)容，做為返回地址(RET);第三個(gè)放入堆棧的是基址寄存器(FP);然后把當(dāng)前的棧指針(SP)拷貝到FP，做為新的基地址;最后為本地變量留出一定空間，把SP減去適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

在函數(shù)體中定義的變量通常是在棧上，用malloc, calloc, realloc等分配內(nèi)存的函數(shù)分配得到的就是在堆上。在所有函數(shù)體外定義的是全局量，加了static修飾符后不管在哪里都存放在全局區(qū)(靜態(tài)區(qū))，在所有函數(shù)體外定義的static變量表示在該文件中有效，不能extern到別的文件用;在函數(shù)體內(nèi)定義的static表示只在該函數(shù)體內(nèi)有效。另外，函數(shù)中的"adgfdf"這樣的字符串存放在常量區(qū)。

對比：

1 性能

棧：棧存在于RAM中。棧是動(dòng)態(tài)的，它的存儲(chǔ)速度是第二快的。stack

堆：堆位于RAM中，是一個(gè)通用的內(nèi)存池。所有的對象都存儲(chǔ)在堆中。heap

2 申請方式

stack【棧】: 由系統(tǒng)自動(dòng)分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量 int b; 系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b開辟空間 。

heap【堆】: 需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數(shù) 如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運(yùn)算符 如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意：p1、p2本身是在棧中的。

3 申請后系統(tǒng)的響應(yīng)

?！緎tack】：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。

堆【heap】：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序;另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外，由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

4 申請大小的限制

?！緎tack】：在Windows下，棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M(也有的說是1M，總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù))，如果申請的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆【heap】：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲(chǔ)的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

5 申請效率的比較

?！緎tack】：由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

堆【heap】：是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，不過用起來最方便.

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內(nèi)存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一快內(nèi)存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

6 堆和棧中的存儲(chǔ)內(nèi)容

?！緎tack】：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令(函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句)的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。

當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

堆【heap】：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。

7 存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在運(yùn)行時(shí)刻賦值的; 而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)就確定的; 但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?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(yīng)的匯編代碼

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(shí)直接就把字符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(jù)edx讀取字符，顯然慢了。

小結(jié)：

堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出：

使用棧就象我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜(發(fā)出申請)、付錢、和吃(使用)，吃飽了就走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)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(dòng)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。