c++中的堆和栈

gxqcn

转自：http://tech.e800.com.cn/articles/2009/416/1239846529599_1.html

1、内存分配方面：

　　堆：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，分配方式是类似于链表。可能用到的关键字如下：new、malloc、delete、free等等。

　　栈：由编译器(Compiler)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、申请方式方面：

　　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，但是注意p1、p2本身是在栈中的。因为他们还是可以认为是局部变量。

　　栈：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。

3、系统响应方面：

　　堆：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。

　　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。

4、大小限制方面：

　　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。

　　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，栈的大小是固定的（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。

5、效率方面：

　　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。

　　栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

6、存放内容方面：

　　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。

　　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，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。

7、存取效率方面：

　　堆：char *s1 = "Hellow Word"; 是在编译时就确定的；

　　栈：char s2[] = "Hellow Word"; 是在运行时赋值的；用数组比用指针速度要快一些，因为指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下，而数组在栈上直接读取。

gxqcn

堆和栈存取效率差异有多大？
编译器能否消除该差异？

大家讨论一下吧。

winxos

原帖由 gxqcn 于 2009-5-14 08:53 发表
转自：http://tech.e800.com.cn/articles/2009/416/1239846529599_1.html

1、内存分配方面：

　　堆：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 ...

一直不知道还有这样的区别，所谓的堆和栈的处理是说编译器在编译的时候将他们采用了不同方法处理？不是放在同一片内存？
我一直以为 char *s中的s跟 char s[]中的s都是指的首地址，本质是一样的。是不是说s[]采用静态分配，就是楼主说的栈？*s动态分配用就是堆？

mathe

像7中,对于编译器来说char *s1="hello, world";更加好,因为它提供了更多的信息,告诉编译器"hello,world"是常数字符串(不会被改变).
不过最好写成const char *s1="hello,world". (不过由于历史原因,前面的情况被允许).
至于说速度问题,各有优劣.虽然说全局变量需要间接访问,但是如果访问不频繁,区别不大,如果在一个循环中经常访问,那指针肯定会被编译器编译而提取出来,所以指针形式不会比数组情况差.反而可能因为编译器知道第一种情况是常数字符串,对第一种情况有更多的优化机会.比如如果程序里面两次使用s1[0],编译器可以知道,两次结果必然相同,只需要一次读取内存就可以了

mathe

还有
　　堆：char *s1 = "Hellow Word"；是在编译时就确定的；
这个内存不属于堆,也不属于栈.
而是静态数据段中.
一个程序使用的内存通常除了堆和栈外,还有一些预分配的固定大小的堆存段
比如程序代码在代码段
只读数据可以在只读数据段(比如上面的Hello,world就可以保存在这里)
还有初始化和没有初始化的全局变量(包含静态变量)可以分别保存在两个不同的段,通常称为.data和.bss段.
但是具体数据保存在哪里编译器还是有选择自由的.

gxqcn

非常感谢 mathe 上面答疑式解答。

请教一下，在头文件（可能多文件包含它）里声明如下两个字符串常量，编译器对之可有区别？
const char * const pStr = "0123456789";
static const sNum[] = "0123456789";

gxqcn

s2 是一个字符串数组，只是用一个字符串常量进行初始化而已，
其本身是用栈空间进行存储的，那个字符串常量无需再用空间存储。

s1 是一个指针，若在函数体内其本身是个临时变量，靠栈存储，
但其指向的字符串可以很长，需要另外的空间存储，所以不适合在栈里处理了。

我刚才google了一下，兴许下面的网页对你有帮助：对字符数组，字符指针，字符串常量以及其sizeof的一些总结

mathe

对于6#的情况,由于都是在头文件里面定义,那么对于第一种情况,我不是很确定,但是好像最新的C++规范里面应该是所有文件对应的pStr变量都是相同(也就是它们访问的是同一个指针变量,不仅仅指针指向的空间相同).也就是如果你在两个不同的文件里面取pStr的地址,返回结果都应该相等.
而第二个申明,由于添加了static,也就是作用域仅仅在一个文件内部,所以可以认为不同的文件都有自己的一份数据(只是内容完全相同,但是存放地址可以不同),也就是如果有k个c++文件包含了这个头文件,就最多可以有k份数据"0123456789".但是在另外一方面,由于这些数据都是只读的,编译器可以做优化,将它们合并,所以实际上这种情况下,不同文件程序访问的sNum地址有可能相同,也可能不同(取决于使用的编译器,编译器选项,编译方法)

mathe

两者还有一个显然的不同,那就是pStr是一个指针,它指向一个全局的匿名字符串数组"0123456789".
而sNum是一个字符串数组.
虽然在C/C++中,很多时候数组和指针看起来很类似,实际上它们不同.
而且更加让人容易混淆的是在参数中,指针可以伪装成数组的模样,比如下面代码中
void foo(int a[])
{
   ..
}
参数a实际上是一个指针,而不是数组.这个是因为C/C++中,参数都是传值的,而对于数组,我们不可能将整个数组的内容都压入堆栈传给函数(那样效率肯定很差),所以传的实际上是数组地址(所以实际就是指针),或者干脆就直接传送指针.而由此导致C/C++中很多地方指针和数组可以混合使用.而数组变量本身就可以看成一个指针常量来使用

mathe

其实从程序员的角度来看,首先有Symbol和Variable的区别.这里symbol可以翻译为一个符号,它可以是变量,也可以是常量.
但是好像通常我们又是也用变量本身同时指变量和常量,比如const int x=1;这里我们也称之为变量
而无论变量还是常量都可以有局部变量,函数内静态变量,文件级静态变量和全局变量等之分.
而所有的常量或变量,都应该保存在寄存器,栈(或者说堆栈),静态数据空间或代码里面.
而只有堆最特别,在C/C++中是通过用户调用malloc/new等操作分配的内容空间.而这些内存空间没有任何变量相对应,而是通过用户自己定义的一些指针来管理,我们可以让多个指针同时指向一片内存,也可以没有任何指针指向一块内容(通常这时候是内存泄漏).
当然指针本身也可以存放在堆中(二级指针)或者是普通的变量