堆区、栈区和堆栈、队列概念浅析

linxiaoyun 2017.8.18 17:21 1155 0
常识 学记

“使用 new 创建的对象全部是在堆上面创建的，不使用 new 的都是在栈上创建的。这是标准 C++ 规定的。”——Qt 学习之路 2（10）：对象模型 by 豆子 www.devbean.net

到底什么是堆（heap）、什么栈（stack）？

  • 预备知识—程序的内存分配  

 一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分  

  1. 栈区（stack） — 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。  
  2. 堆区（heap）  —  一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。
  3. 全局区（静态区）（static）— 全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。  
  4. 文字常量区   — 常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放。
  5. 程序代码区 — 存放函数体的二进制代码。   

例子程序    
这是一个前辈写的，非常详细    

  //main.cpp    
  int   a   =   0;//全局初始化区    
  char   *p1;//全局未初始化区    
  main()    
  {    
  int   b;//栈    
  char   s[]   =   "abc";//栈    
  char   *p2;//栈    
  char   *p3   =   "123456";//123456/0在常量区，p3在栈上。    
  static   int   c   =0；//全局（静态）初始化区    
  p1   =   (char   *)malloc(10);    
  p2   =   (char   *)malloc(20);    
  //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。    
  strcpy(p1,"123456");   // 123456/0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。    
  }    
  •  堆和栈的理论知识    
  1. 申请方式    

stack:    
由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量   int   b;   系统自动在栈中为b开辟空间    
heap:    
需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数
如p1   =   (char   *)malloc(10);    
在C++中用new运算符    
如p2   =   new   char[10];    
但是注意p1、p2本身是在栈中的。

  1. 申请后系统的响应    

栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。    
堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。   

  1. 申请大小的限制    

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。    
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。  

  1. 申请效率的比较：    

栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。    
堆由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.    
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。   

  1. 堆和栈中的存储内容    

栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。    
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。   

  1. 存取效率的比较    

char   s1[]   =   "aaaaaaaaaaaaaaa";    
char   *s2   =   "bbbbbbbbbbbbbbbbb";    
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；    
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；    
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(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;    
  }  

  
对应的汇编代码    

  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    

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。     

  1. 小结：    

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：    
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。    
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。

  • 堆栈和队列

这是数据结构概念

堆栈的特性： 最后一个放入堆栈中的物体总是被最先拿出来， 这个特性通常称为后进先出(LIFO)队列。栈就是一个桶，后放进去的先拿出来，它下面本来有的东西要等它出来之后才能出来。（后进先出）

队列只能在队头做删除操作,在队尾做插入操作。（先进先出）

Last Modified·2017年8月18日 18:02

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