理解堆与栈
一、引言：
? ? 一直不太明白堆與棧到底是什么，是指一塊內(nèi)存區(qū)呢，還是指一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？編寫程序中總提到內(nèi)存分配的棧與堆的區(qū)別，靜態(tài)與動態(tài)分配等，總也弄不明白，隱約知道一點，但總分不清堆與棧到底是一塊內(nèi)存區(qū)還是內(nèi)存分配的方式，或者只是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？？？
跟楊惠討論如何建立決策樹的時候，她說實際上就是進棧出棧，當時真是一頭霧水呀。隱約知道《TIJ》中說棧是存放數(shù)據(jù)的一個地方（實際是RAM），以前學數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時的棧是什么已經(jīng)不記得了。今天終于下決心先理清堆與棧的概念。
二、明確操作系統(tǒng)(或編譯原理)的堆與棧和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的堆與棧是不同的概念
參考資料摘錄：
1.http://www.bloghome.cn/posts/52992
a）預備知識—程序的內(nèi)存分配
一個由c/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個部分
1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，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。
2、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，呵呵。
3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，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和未初始化的靜態(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
4、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
5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。
b）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，只管點菜（發(fā)出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、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。
堆和棧的區(qū)別主要分：
操作系統(tǒng)方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。
還有就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這里的堆實際上指的就是（滿足堆性質(zhì)的）優(yōu)先隊列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，第1個元素有最高的優(yōu)先權；棧實際上就是滿足先進后出的性質(zhì)的數(shù)學或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
雖然堆棧，堆棧的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區(qū)別的，連著叫只是由于歷史的原因。
2.http://topic.csdn.net/t/20051107/15/4376867.html
看了大家對操作系統(tǒng)中堆與棧的說明，受益匪淺。我只是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層面上說明一下堆與棧：這是兩個完全相關的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。棧結(jié)構(gòu)就是后進先出的那個順序結(jié)構(gòu)，任何的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)書中都有說明的，而堆結(jié)構(gòu)是一棵完全二叉樹，這棵二叉樹的特點是每個結(jié)點的值都比它兩個孩子結(jié)點中的值小(或者大，當然如果它有孩子結(jié)點的話)。棧結(jié)構(gòu)主要用在臨時存儲局部結(jié)果上，堆結(jié)構(gòu)的特點主要是可以快速地連續(xù)取最值(因此當然可以排序啦)，這是我對這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理解。
3.http://www.cnblogs.com/liangqihui/archive/2005/07/29/202989.html
在google.com搜索 “編譯原理與實踐”，看第7章，就會明白大概了?
[精華] Re: 請問堆和棧有什么區(qū)別? [re: yuan_weiqi]
? ??
很喜歡你生氣的樣子，grin
呵呵，不開玩笑了，其實大家有點胡扯，也不是有意，因為堆和棧這2個概念本身就比較混沌，有時候是指兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，教科書里寫的比較清楚（不過說實在的，堆的定義還真有點忘了，shrug）；有時候，這2個概念又指兩種內(nèi)存分配的方式，這通常是在操作系統(tǒng)原理里講。上面這2種情況，原理性概念性比較強，實際中真很少人去仔細想（慚愧ing）。第三種時候，也是我在前面胡扯的，呵呵，這2個概念通常又混在一起，大家都堆棧堆棧的說，時間長了，也分不清了:)，這還是和第二種有關，因為大多數(shù)OS通常是將heap和stack放在一起（或者說比較接近），通常一個在高端，一個在低端，分配內(nèi)存時，方向是相對的，之間并沒有很明確的界限，APUE CHAP7有講。
另外，印象中，兩者還有一個區(qū)別就是，stack通常用于函數(shù)調(diào)用，而heap通常用于進程內(nèi)局部變量的分配，不過這個印象是很久之前的印象了，不知道對不對。
BTW，偶不是高手，連所謂的都不是：），不過倒學到一點技巧，這里的高手往往不輕易出手，最好的方法就是刺激他們，嘿嘿
三、由C/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分配－堆與棧的區(qū)別
http://www.bloghome.cn/posts/52992
堆與棧的區(qū)別
c /liaxiz 發(fā)表于2006-10-14 23:32
一、預備知識—程序的內(nèi)存分配
一個由c/C++編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個部分
1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，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。
2、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，呵呵。
3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，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和未初始化的靜態(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
4、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
5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。
例子程序
這是一個前輩寫的，非常詳細
//main.cpp
int a = 0; 全局初始化區(qū)
char *p1; ?全局未初始化區(qū)
main()
{
?int b; ? ?棧
?char s[] = "abc"; 棧
?char *p2; 棧
?char *p3 = "123456"; ? 123456\0在常量區(qū)，p3在棧上。
?static int c =0； ? ? ?全局（靜態(tài)）初始化區(qū)
?p1 = (char *)malloc(10);
?p2 = (char *)malloc(20); ? ? ?分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。
?strcpy(p1, "123456"); ? ? ? ? 123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與p3所指向
的"123456"優(yōu)化成一個地方
}
二、堆和棧的理論知識
2.1申請方式
stack:
由系統(tǒng)自動分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間
heap:
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運算符
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
2.2
申請后系統(tǒng)的響應
棧：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，否則將報異常提示棧溢出。
堆：首先應該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當系統(tǒng)收到程序的申請時，
會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結(jié)點，然后將該結(jié)點從空閑結(jié)點鏈表中刪除，并將該
結(jié)點的空間分配給程序，另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，會在這塊內(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)點的大小不一定正好等于
申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。
2.3申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數(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?
和棧的最大容量是系統(tǒng)預先規(guī)定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時
就確定的常數(shù)），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小
。
堆：堆是向高地址擴展的數(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。堆的大小受限于計算機系統(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。
2.4申請效率的比較：
棧由系統(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。
堆是由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
2.5堆和棧中的存儲內(nèi)容
棧： 在函數(shù)調(diào)用時，第一個進棧的是主函數(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，程序由該點繼續(xù)運行。
堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排.
2.6存取效率的比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針所指向的字符串(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;
}
對應的匯編代碼
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。
2.7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，只管點菜（發(fā)出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切
菜、洗菜等準備工作和洗碗、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。
堆和棧的區(qū)別主要分：
操作系統(tǒng)方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。
還有就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這里的堆實際上指的就是（滿足堆性質(zhì)的）優(yōu)先
隊列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，第1個元素有最高的優(yōu)先權；棧實際上就是滿足先進后出的性質(zhì)的數(shù)學或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
。
雖然堆棧，堆棧的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區(qū)別的，連著叫只是由于歷史的原因。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
? ? ? 堆(heap)和棧(stack)是C/C++編程不可避免會碰到的兩個基本概念。首先，這兩個概念都可以在講數(shù)
據(jù)結(jié)構(gòu)的書中找到，他們都是基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，雖然棧更為簡單一些。
? ? ? 在具體的C/C++編程框架中，這兩個概念并不是并行的。對底層機器代碼的研究可以揭示，棧是機器
系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而堆則是C/C++函數(shù)庫提供的。
? ? ? 具體地說，現(xiàn)代計算機(串行執(zhí)行機制)，都直接在代碼底層支持棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這體現(xiàn)在，有專門的
寄存器指向棧所在的地址，有專門的機器指令完成數(shù)據(jù)入棧出棧的操作。這種機制的特點是效率高，支持
的數(shù)據(jù)有限，一般是整數(shù)，指針，浮點數(shù)等系統(tǒng)直接支持的數(shù)據(jù)類型，并不直接支持其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因
為棧的這種特點，對棧的使用在程序中是非常頻繁的。對子程序的調(diào)用就是直接利用棧完成的。機器的
call指令里隱含了把返回地址推入棧，然后跳轉(zhuǎn)至子程序地址的操作，而子程序中的ret指令則隱含從堆
棧中彈出返回地址并跳轉(zhuǎn)之的操作。C/C++中的自動變量是直接利用棧的例子，這也就是為什么當函數(shù)返
回時，該函數(shù)的自動變量自動失效的原因(因為堆棧恢復了調(diào)用前的狀態(tài))。
? ? ? 和棧不同，堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不是由系統(tǒng)(無論是機器系統(tǒng)還是操作系統(tǒng))支持的，而是由函數(shù)庫提供的
。基本的malloc/realloc/free函數(shù)維護了一套內(nèi)部的堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當程序使用這些函數(shù)去獲得新的內(nèi)存
空間時，這套函數(shù)首先試圖從內(nèi)部堆中尋找可用的內(nèi)存空間，如果沒有可以使用的內(nèi)存空間，則試圖利用
系統(tǒng)調(diào)用來動態(tài)增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存大小，新分配得到的空間首先被組織進內(nèi)部堆中去，然后再以適當
的形式返回給調(diào)用者。當程序釋放分配的內(nèi)存空間時，這片內(nèi)存空間被返回內(nèi)部堆結(jié)構(gòu)中，可能會被適當
的處理(比如和其他空閑空間合并成更大的空閑空間)，以更適合下一次內(nèi)存分配申請。這套復雜的分配機
制實際上相當于一個內(nèi)存分配的緩沖池(Cache)，使用這套機制有如下若干原因：
? ? 1. 系統(tǒng)調(diào)用可能不支持任意大小的內(nèi)存分配。有些系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用只支持固定大小及其倍數(shù)的內(nèi)存
請求(按頁分配)；這樣的話對于大量的小內(nèi)存分類來說會造成浪費。
? ? 2. 系統(tǒng)調(diào)用申請內(nèi)存可能是代價昂貴的。系統(tǒng)調(diào)用可能涉及用戶態(tài)和核心態(tài)的轉(zhuǎn)換。
? ? 3. 沒有管理的內(nèi)存分配在大量復雜內(nèi)存的分配釋放操作下很容易造成內(nèi)存碎片。
? ? 堆和棧的對比
? ? 從以上知識可知，棧是系統(tǒng)提供的功能，特點是快速高效，缺點是有限制，數(shù)據(jù)不靈活；而堆是函數(shù)
庫提供的功能，特點是靈活方便，數(shù)據(jù)適應面廣泛，但是效率有一定降低。棧是系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于進程
/線程是唯一的；堆是函數(shù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不一定唯一。不同堆分配的內(nèi)存邏輯上無法互相操作。棧空
間分靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如自動變量(auto)的分配。動態(tài)分配由
alloca函數(shù)完成。棧的動態(tài)分配無需釋放(是自動的)，也就沒有釋放函數(shù)。為可移植的程序起見，棧的動
態(tài)分配操作是不被鼓勵的！堆空間的分配總是動態(tài)的，雖然程序結(jié)束時所有的數(shù)據(jù)空間都會被釋放回系統(tǒng)
，但是精確的申請內(nèi)存/釋放內(nèi)存匹配是良好程序的基本要素。
四、參考資料：
1.堆與棧的區(qū)別
http://www.bloghome.cn/posts/52992
2.內(nèi)存分配中堆與棧的區(qū)別
http://blog.bioon.cn/user1/8688/archives/2006/53255.shtml
http://blog.csdn.net/tiger406/archive/2006/09/07/1192110.aspx
3.請問堆和棧有什么區(qū)別?-討論答案,現(xiàn)在開始求慎解
http://www.cnblogs.com/liangqihui/archive/2005/07/29/202989.html
總結(jié)
- 上一篇： Linux 上通过 Rhythmbox
- 下一篇： 如果绿坝开源会怎么样