数据结构和内存中的堆和栈

在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，我们编写的C/C++语言程序基本上都要用到。但对于很多的初学着来说，堆栈是一个很模糊的概念。

（1） 数据结构的栈和堆

首先在数据结构上要知道堆栈，尽管我们这么称呼它，但实际上堆栈是两种数据结构：堆和栈。

    堆和栈都是一种数据项按序排列的数据结构。
栈就像装数据的桶或箱子
    我们先从大家比较熟悉的栈说起吧，它是一种具有后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。这就如同我们要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比较早的物体），我们首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。
 有链表实现和数组实现两种方式
堆像一棵倒过来的树
  堆的实现是二叉树
而堆就不同了，堆是一种经过排序的树形数据结构，每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性，常用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同我们在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放是有顺序的，但是我们想取任意一本时不必像栈一样，先取出前面所有的书，书架这种机制不同于箱子，我们可以直接取出我们想要的书。

（2） 内存分配中的栈和堆

内存中的栈区处于相对较高的地址以地址的增长方向为上的话，栈地址是向下增长的，栈中分配局部变量空间，堆区是向上增长的用于分配程序员申请的内存空间。另外还有静态
区是分配静态变量，全局变量空间的；只读区是分配常量和程序代码空间的；以及其他一些分区。

一、预备知识—程序的内存分配
大的划分为代码段 和 数据段；其中数据段又分为 静态数据区 和 动态数据区，代码段就对应代码区 ；静态数据区用于存放  全局变量  和 静态变量，动态数据区即为堆和栈 用于存放 局部变量。
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，C语言中，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， C++ 里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。。 - 程序结束后有系统释放 
4、文字常量区（只读）—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。
ps 还有一种内存划分为 堆、栈、自由存储区（malloc等分配的内存块，与堆类似）、全局/静态存储区和常量存储区
很明显 两种划分 堆、栈、（全局）静态数据区、常量区都是有的；一种情况考虑了代码段，私以为更完整；另一种情况可以说只考虑了数据段；
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。
栈的操作也是先进先出，类似于数据结构的栈（这也许是造成许多人混淆的地方，正如有的人所说，我们可以把数据结构的栈理解成某个技术，而内存的栈正好用到了该技术，但二者其实并不一样）

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（线性结构）。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（链式结构）。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，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。 
 
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。
├———————┤低端内存区域 
│ …… │ 
├———————┤ 
│ 动态数据区 │ 
├———————┤ 
│ …… │ 
├———————┤ 
│ 代码区 │ 
├———————┤ 
│ 静态数据区 │ 
├———————┤ 
│ …… │ 
├———————┤高端内存区域
其中 动态数据区包括堆和栈，静态数据区包括全局变量和静态变量
内存中的堆栈是指栈

ps 补充

1. 全局变量具有全局作用域。全局变量只需在一个源文件中定义，就可以作用于所有的源文件。当然，其他不包含全局变量定义的源文件需要用extern 关键字再次声明这个全局变量。
2. 局部变量也只有局部作用域，它是自动对象（auto），它在程序运行期间不是一直存在，而是只在函数执行期间存在，函数的一次调用执行结束后，变量被撤销，其所占用的内存也被收回。
3. 静态局部变量具有局部作用域，它只被初始化一次，自从第一次被初始化直到程序运行结束都一直存在，它和全局变量的区别在于全局变量对所有的函数都是可见的，而静态局部变量只对定义自己的函数体始终可见。
4. 静态全局变量也具有全局作用域，它与全局变量的区别在于如果程序包含多个文件的话，它作用于定义它的文件里，不能作用到其它文件里，即被static关键字修饰过的变量具有文件作用域。这样即使两个不同的源文件都定义了相同名字的静态全局变量，它们也是不同的变量。

从分配内存空间看：全局变量，静态局部变量，静态全局变量都在静态存储区分配空间，而局部变量在栈里分配空间。

从以上分析可以看出， 把局部变量改变为静态变量后是改变了它的存储方式即改变了它的生存期。把全局变量改变为静态变量后是改变了它的作用域，限制了它的使用范围。因此static 这个说明符在不同的地方所起的作用是不同的。

pps 初始化相关
      函数体外定义的变量 可以认为是全局变量，此处的变量 自动初始化 ，具体的，内置类型的变量初始化为0 ，基本类型和类类型指针初始化为00000000，类类型变量调用默认构造函数初始化，引用不能不初始化；（注意：类类型如果没有默认构造函数，在任何情况下，不能定义没有提供初始值的类类型变量！！）
      函数体内定义的变量可以认为是栈空间的临时变量，内置类型的变量不提供初始化，类类型用默认构造函数初始化，内置类型和类类型指针初始化为cccccccc，引用还是要初始化。
      堆内存，用new的规律，提供  直接初始化和值初始化。直接初始化：提供初始值则按照初始值初始化；未提供初始值，则按照函数内变量的规则初始化。 值初始化：提供内容为空的圆括号为动态创建的对象做值初始化    
          这里 int * p=new int();//p=cccccccc；*p=0;
                AA * pa=new AA();//这里的AA不提供默认构造函数，VC上编译不过，提示没有匹配的默认构造函数