学习笔记之---堆和栈的区别

堆栈内存分配

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 2020/03/13   Share

浅谈堆和栈的区别

1. 数据结构中的堆栈

相信每一个程序员对数据结构中的堆和栈都不陌生,他们在我们计算机的数据结构中承担着不可或缺的角色。其实堆和栈都是一种数据项按序排列的数据结构。

1.1 栈就像一摞叠在一起的盘子

我们平时放盘子的时候，都是从下往上一个一个放；取的时候，我们也是从上往下一个一个地依次取，不能从中间任意抽出。后进者先出，先进者后出，这就是典型的“栈”结构。从栈的操作特性上来看，栈是一种“操作受限”的线性表，只允许在一端插入和删除数据。

1.2 堆就像一颗倒过来的数

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。
堆是一种特殊的树。只要满足这两点，它就是一个堆。

堆是一个完全二叉树；
堆中每一个节点的值都必须大于等于（或小于等于）其子树中每个节点的值。

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. 内存分配中的堆栈

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个区:

栈区：存放函数的参数值、局部变量等，由编译器自动分配和释放，通常在函数执行完后就释放了，其操作方式类似于数据结构中的栈。栈内存分配运算内置于CPU的指令集，效率很高，但是分配的内存量有限，比如iOS中栈区的大小是2M。
堆区：就是通过new、malloc、realloc分配的内存块，编译器不会负责它们的释放工作，需要用程序区释放。分配方式类似于数据结构中的链表。在iOS开发中所说的“内存泄漏”说的就是堆区的内存。
静态区：全局变量和静态变量（在iOS中就是用static修饰的局部变量或者是全局全局变量）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。
常量区：常量存储在这里，不允许修改。
代码区：存放函数体的二进制代码。

2.1 内存分配中堆和栈的区别

1. 申请方式和回收方式不同

栈(stack):
栈空间的内存是由系统自动分配，一般存放局部变量，比如对象的地址等值，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。不需要程序员对这块内存进行管理，比如，函数中的局部变量的作用范围（生命周期）就是在调完这个函数之后就结束了。这些在系统层面都已经限定住了，程序员只需要在这种约束下进行程序编程就好，根本就没有把这块内存的管理权给到程序员，肯定也就不存在让程序员管理一说。
堆(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。
堆空间的内存是动态分配的，一般存放对象，并且需要手动释放内存。当然，iOS引入了ARC（自动引用计数管理技术）之后，程序员就不需要用代码管理对象的内存了，之前MRC（手动管理内存）的时候，程序员需要手动release对象。另外，ARC只是一种中间层的技术，虽然在ARC模式下，程序员不需要像之前那么麻烦管理内存，但是需要遵循ARC技术的规范操作，比如使用属性限定符weak、strong、assigen等。因此，如果程序员没有按ARC的规则并合理的使用这些属性限定符的话，同样是会造成内存泄漏的。

由于栈上的空间是自动分配自动回收的，所以栈上的数据的生存周期只是在函数的运行过程中，运行后就释放掉，不可以再访问。而堆上的数据只要程序员不释放空间，就一直可以访问到，不过缺点是一旦忘记释放会造成内存泄露。

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。

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。

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： 栈空间中一般存储基本数据类型，对象的地址；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：堆空间一般存放对象本身，block的copy等;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