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  • 堆与栈的区别

          在bbs上,堆与栈的区分问题,似乎是一个永恒的话题,由此可见,初学者对此往往是混淆不清的,所以我决定拿他第一个开刀。
          首先,我们举一个例子:
          void f() { int* p=new int[5]; } 
          这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到new,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针p呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用operator new分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中,他在VC6下的汇编代码如下:
          00401028     push          14h
          0040102A     call          operator new (00401060)
          0040102F     add           esp,4
          00401032     mov           dword ptr [ebp-8],eax
          00401035     mov           eax,dword ptr [ebp-8]
          00401038     mov           dword ptr [ebp-4],eax
          这里,我们为了简单并没有释放内存,那么该怎么去释放呢?是delete p么?澳,错了,应该是delete []p,这是为了告诉编译器:我删除的是一个数组,VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。
          好了,我们回到我们的主题:堆和栈究竟有什么区别? 
          主要的区别由以下几点:
          1、管理方式不同;
          2、空间大小不同;
          3、能否产生碎片不同;
          4、生长方向不同;
          5、分配方式不同;
          6、分配效率不同;
          管理方式:对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。
          空间大小:一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。当然,我们可以修改:    
          打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link,在Category 中选中Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
    注意:reserve最小值为4Byte;commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。
          碎片问题:对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。
          生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。
          分配方式:堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。
          分配效率:栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。
          从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete的使用,容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用堆。
          虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。
          无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug可是相当困难的:)
          对了,还有一件事,如果有人把堆栈合起来说,那它的意思是栈,可不是堆,呵呵,清楚了?
     

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    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。            

    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       c

    har   *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。       s

    trcpy(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   =   new   char[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块内存,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。堆中的具体内容由程序员安排。          

    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,再根据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。   (经典!)  

     

     

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    总结:

    遇到栈溢出的问题最好先想想怎么优化算法,比如递归改为非递归之类的,递归一般都可以用队列和stack实现非递归的

    其次实在不行了,变量必须开这么大,那没办法,用堆吧(malloc,new),不够用它会从外存里找的,不像栈在内存里。

     

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