C/C++中堆和栈的区别

平时教学中学员对堆栈知识普遍但到困 惑，而对堆栈的理解恰恰是编程和面试中常见的重要知识点，笔者结合教学案例和一些网上的资料整理了如下一文，希望能够对大家起到一定的参考作用，不足之处 也请欢迎指正！

一、预备知识—程序的内存分配
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（malloc/free、new/delete）， 若程序员不释放，程 序结束时可能由操作系统回收。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。
3、全局区(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。

Example:
int a = 0; // 全局初始化区
char *p1; // 全局未初始化区
main()
{
int a; // 栈区
char s[] = "abc"; // 栈区
char *p2; // 栈区
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
栈: 由 系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int a; 系统自动在栈中为a开辟空间

堆: 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); 但是注意局部变量p1、p2本身是在栈中的，但是他们指向的申请到的内存是在堆区，这点要明确!

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malloc/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。

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";
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， 在根据edx读取字符，显然慢了。

三、 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。
   还有 就是函数调用时会在栈上有一系列的保留现场及传递参数的操作。栈的空间大小有限定，VC的缺 省是2M。栈不够用的情况一般是程序中分配了大量数组和递归函数层次太深。有一点必须知道，当一个函数调用完返回后它会释放该函数中所有的栈空间。栈是由编译器自动管理的，不用你操心。 堆是动态分配内存的，并且你可以分配使用很大的内存。但是用不好会产生内存泄漏。并且频繁地malloc和free会产生内存碎片(有点类似磁盘碎片)，因为C分配动态内存时是寻找匹配的内存的。而用栈则不会产生碎片。在栈上存取数据比通过指针在堆上存取数据 快些。一般大家说的堆栈和栈是一样的，就是栈(stack)，而说堆时才是堆heap。栈是先入后出的，一般是由高地址向低地址生长。