堆与栈

一、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 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，呵呵。
    <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。 - 程序结束后有系统释放 
    <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。
二、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*/

} 

二、堆和栈的理论知识 
2.1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 = (char *)malloc(10); 
但是注意p1、p2本身是在栈中的。 

2.2 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， 
会 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。 

2.3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。 

2.4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。 
堆是由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快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。 

2.5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。堆中的具体内容有程序员安排。 

2.6存取效率的比较 

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  //aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; //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，在根据edx读取字符，显然慢了。 

2.7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。

理解调用栈最重要的两点是：栈的结构，EBP寄存器的作用。

首先要认识到这样两个事实：

1、一个函数调用动作可分解为：零到多个PUSH指令（用于参数入栈），一个CALL指令。CALL指令内部其实还暗含了一个将返回地址（即CALL指令下一条指令的地址）压栈的动作。

2、几乎所有本地编译器都会在每个函数体之前插入类似如下指令：PUSH EBP; MOV EBP ESP;

即，在程序执行到一个函数的真正函数体时，已经有以下数据顺序入栈：参数，返回地址，EBP。
由此得到类似如下的栈结构（参数入栈顺序跟调用方式有关，这里以C语言默认的CDECL为例）：

+| (栈底方向，高位地址) |
 | .................... |
 | .................... |
 | 参数3                |
 | 参数2                |
 | 参数1                |
 | 返回地址             |
-| 上一层[EBP]          | <-------- [EBP]

“PUSH EBP”“MOV EBP ESP”这两条指令实在大有深意：首先将EBP入栈，然后将栈顶指针ESP赋值给EBP。“MOV EBP ESP”这条指令表面上看是用ESP把EBP原来的值覆盖了，其实不然——因为给EBP赋值之前，原EBP值已经被压栈（位于栈顶），而新的EBP又恰恰 指向栈顶。

此时EBP寄存器就已经处于一个非常重要的地位，该寄存器中存储着栈中的一个地址（原EBP入栈后的栈顶），从该地址为基准，向上（栈底方向）能获取返回地址、参数值，向下（栈顶方向）能获取函数局部变量值，而该地址处又存储着上一层函数调用时的EBP值！

一般而言，ss:[ebp+4]处为返回地址，ss:[ebp+8]处为第一个参数值（最后一个入栈的参数值，此处假设其占用4字节内存），ss:[ebp-4]处为第一个局部变量，ss:[ebp]处为上一层EBP值。

由于EBP中的地址处总是“上一层函数调用时的EBP值”，而在每一层函数调用中，都能通过当时的EBP值“向上（栈底方向）能获取返回地址、参数值，向下（栈顶方向）能获取函数局部变量值”。
如此形成递归，直至到达栈底。这就是函数调用栈。

编译器对EBP的使用实在太精妙了。

从当前EBP出发，逐层向上找到所有的EBP是非常容易的：

unsigned int _ebp;
__asm _ebp, ebp;
while (not stack bottom)
{
    //...
    _ebp = *(unsigned int*)_ebp;
}