C/C++程序內存分配整理二——堆和棧的區別

一、申請方式

stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間。
heap: 須要程序員本身申請，並指明大小，在C中malloc函數，C++中是new運算符。
如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
可是注意p一、p2自己是在棧中的。

二、申請後系統的響應

棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，不然將報異常提示棧溢出。
堆：首先應該知道操做系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序。
對於大多數系統，會在這塊內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存空間。
因爲找到的堆結點的大小不必定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分從新放入空閒鏈表中。

三、申請大小的限制

棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 Windows下，棧的大小是一個編譯時就肯定的常數，若是申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示Overflow。所以，能從棧得到的空間較小。
堆：堆是向高地址擴展的數據結構， 是不連續的內存區域。這是因爲系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，天然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。因而可知，堆得到的空間比較靈活，也比較大。

四、申請效率的比較

棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是沒法控制的。
堆是由new分配的內存，通常速度比較慢，並且容易產生內存碎片,不過用起來最方便。
另外，在 Windows下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是棧，而是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。可是速度快，也最靈活。

五、堆和棧中的存儲內容

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中函數調用後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，而後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，而後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：通常是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

六、存取效率的比較

char s1[] = "Hello";
char *s2 = "World";
Hello是在運行時刻賦值的，而World是在編譯時就肯定的。可是，在之後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。 

七、小結

堆和棧的主 要區別由如下幾點：
一、管理方式不一樣；
二、空間大小不一樣；
三、可否產生碎片不一樣；
四、生長方向不一樣；
五、分配方式不一樣；
六、分配效率不一樣；

管理方式：對於棧來說，是由編譯器自動管理，無需咱們手工控制；對於堆來講，釋放工做由程序員控制，容易產生Memory Leak。

空間大小：通常來說在32位系統下，堆內存能夠達到4G的空間，從這個角度來看 堆內存幾乎是沒有什麼限制的。可是對於棧來說，通常都是有必定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M。固然，這個值能夠修改。

碎片問題：對於堆來說，頻繁的new/delete勢必會形成內存空間的不連續，從而形成大量的碎片，使程序效率下降。對於棧來說，則不會存在這個問 題，由於棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以致於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出以前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的能夠參考數據結構。

生長方向：對於堆來說，生長方向是向上的，也就是向着內存地址增長的方向；對於棧來說，它的生長方向是向下的，是向着內存地址減少的方向增加。

分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，好比局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，可是棧的動態分配和堆是不一樣的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需咱們手工實現。

分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率 比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很複雜的，例如爲了分配一塊內存，庫函數會按照必定的算法（具體的算法能夠參考數據結構/操做系統）在 堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，若是沒有足夠大小的空間（多是因爲內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增長程序數據段的內存空間，這樣就有機會 分 到足夠大小的內存，而後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這裏咱們能夠看到，堆和棧相比，因爲大量new/delete的使用， 容易形成大量的內存碎片；因爲沒有專門的系統支持，效率很低；因爲可能引起用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。因此棧在程序中是應用最普遍的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程當中的參數，返回地址， EBP和局部變量都採用棧的方式存放。因此，咱們推薦你們儘可能用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此衆多的好處，可是因爲和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的內存空間，仍是用堆好一些。
不管是堆仍是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），由於越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果。