堆和棧

相信不少程序員對於堆和棧的概念，老是感受很朦朧，感受在哪裏聽過見過，並無深交。

在計算機領域，堆棧是一個不容忽視的概念，咱們編寫的C語言程序基本上都要用到。但對於不少的初學着來講，堆棧是一個很模糊的概念。堆棧：一種數據結構、一個在程序運行時用於存放的地方，這多是不少初學者的認識，由於我曾經就是這麼想的，而且和彙編語言中的堆棧一詞混爲一談。我身邊的一些編程的朋友以及在網上看帖遇到的朋友中有好多也說不清堆棧，因此我想有必要給你們分享一下我對堆棧的見解，有說的不對的地方請朋友們不吝賜教，這對於你們學習會有很大幫助。百度百科上對堆和棧進行了對比分析：

堆棧空間分配
棧（操做系統）：由操做系統自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操做方式相似於數據結構中的棧。
堆（操做系統）：通常由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收，分配方式卻是相似於鏈表。
堆棧緩存方式
棧使用的是一級緩存， 他們一般都是被調用時處於存儲空間中，調用完畢當即釋放。
堆則是存放在二級緩存中，生命週期由虛擬機的垃圾回收算法來決定（並非一旦成爲孤兒對象就能被回收）。因此調用這些對象的速度要相對來得低一些。
堆棧數據結構區別
堆（數據結構）：堆能夠被當作是一棵樹，如：堆排序。
棧（數據結構）：一種先進後出的數據結構。
例如：順序棧AStack的類定義

template < class T >
class AStack {
private:
int size ; // 數組的規模
T * stackArray ; // 存放堆棧元素的數組
int top ; // 棧頂所在數組元素的下標
public:
AStack ( int MaxStackSize ) // 構造函數
{ size = MaxStackSize ; stackArray = new T [MaxStackSize] ; top = -1 ; }
~AStack ( ) { delete [ ] stackArray ; } // 析構函數
bool Push ( const T& item ) ; // 向棧頂壓入一個元素
bool Pop ( T & item ) ; // 從棧頂彈出一個元素
bool Peek ( T & item ) const ; // 存取棧頂元素
int IsEmpty ( void ) const { return top = = -1 ; }// 檢測棧是否爲空
int IsFull ( void ) const { return top = = size-1 ; }// 檢測棧是否爲滿
void clear ( void ) { top = -1 ; } // 清空棧
} ;

首先，咱們舉一個例子：

void f() { int* p=new int[5]; }

這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，咱們首先就應該想到，咱們分配了一塊堆內存，那麼指針p呢？他分配的是一塊棧內存，因此這句話的意思就是：在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。在程序會先肯定在堆中分配內存的大小，而後調用operator new分配內存，而後返回這塊內存的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編代碼以下：

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

這裏，咱們爲了簡單並無釋放內存，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？錯了，應該是delete []p，這是爲了告訴編譯器：我刪除的是一個數組，VC6就會根據相應的Cookie信息去進行釋放內存的工做。
好了，咱們回到咱們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？ 爲此作出鄙陋總結
主要的區別由如下幾點：
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（好像是，記不清楚了）。固然，咱們能夠修改：打開工程，依次操做菜單以下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，而後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。
注意：reserve最小值爲4Byte；commit是保留在虛擬內存的頁文件裏面，它設置的較大會使棧開闢較大的值，可能增長內存的開銷和啓動時間。
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，這裏咱們就再也不一一討論了。
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,就算是在你的程序運行過程當中，沒有發生上面的問題，你仍是要當心，說不定何時就崩掉，那時候debug但是至關困難的。

祝你們早日富可敵國，bye~