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堆和栈的区别

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发表于 2017-12-15 10:50:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
最近太过执着于一些底层概念,《堆和栈的区别》这篇经典的博文已经被转载过N次,今搬运至此,以便日后查阅。
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。
在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。
栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。
其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区(heap) —从堆上分配,亦称动态内存分配。
程序在运行的时候调用 malloc 或 new 申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用 free 或 delete 释放内存。
动态内存的生存期由我们决定,使用非常灵活,但问题也最多。
一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序(进程)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。
3、全局区(静态区)(static)—从静态存储区域分配。
内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量,static 变量。
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(进程)结束后有系统释放。
4、文字常量区—常量字符串就是放在这里的,程序(进程)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。

示例程序 (这是一个前辈写的,非常详细 )

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 楼主| 发表于 2017-12-15 10:50:30 | 显示全部楼层
  1. #include <cstdlib>  
  2. #include <iostream>  
  3.   
  4. int a = 0;  // 全局初始化区  
  5. char *p1;   // 全局未初始化区  
  6.   
  7. int main(int argc, char* argv[])  
  8. {  
  9.     std::cout << "Hello, World!" << std::endl;  
  10.       
  11.     int b;              // 栈  
  12.     char s[] = "abc";   // 栈  
  13.     char *p2;           // 栈  
  14.       
  15.     // 123456/0在常量区,p3在栈上。  
  16.     char *p3 = "123456";  
  17.       
  18.     // 全局(静态)初始化区  
  19.     static int c = 0;  
  20.       
  21.     // 分配得来得10和20字节的区域就在堆区  
  22.     p1 = (char*)malloc(10);  
  23.     p2 = (char*)malloc(20);  
  24.       
  25.     // 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。  
  26.     strcpy(p1, "123456");  
  27.       
  28.     return EXIT_SUCCESS;  
  29. }  
复制代码


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 楼主| 发表于 2017-12-15 10:50:56 | 显示全部楼层
二、堆和栈的理论知识2.1 申请方式
: 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。
: 需要程序员自己申请,并指明大小。
在 C 中用 malloc 函数:p1 = (char *)malloc(10);
在 C++ 中用 new 运算符,如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意指针变量 p1、p2 本身是在栈中的。
2.2 申请后系统的响应
: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。
: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。
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
: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
:由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
:由 malloc/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。它不是在堆,也不是在栈,而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
: 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。
: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。
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。

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 楼主| 发表于 2017-12-15 10:51:52 | 显示全部楼层
比如:
  1. #include <cstdlib>  
  2. #include <iostream>  
  3.   
  4. int main(int argc, char* argv[])  
  5. {  
  6.     char a      = 1;  
  7.     char c[]    = "1234567890";  
  8.     char *p     = "1234567890";  
  9.       
  10.     a = c[1];  
  11.     a = p[1];  
  12.       
  13.     return EXIT_SUCCESS;  
  14. }  
复制代码
对应的汇编代码

  1. 10: a = c[1];  
  2. 00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]  
  3. 0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl  
  4. 11: a = p[1];  
  5. 0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]  
  6. 00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]  
  7. 00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al  
复制代码
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,在根据edx读取字符,显然慢了。



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 楼主| 发表于 2017-12-15 10:52:48 | 显示全部楼层
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。
而我们常说的“堆栈”是数据结构中的概念,是一种允许在其一端进行插入或删除的线性表,其基本操作是push入栈和pop出栈。
heap:是由malloc之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。
stack:是自动分配变量,以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少的。
a.png


三、测试程序
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 楼主| 发表于 2017-12-15 10:53:09 | 显示全部楼层
  1. #include <iostream>  
  2. #include <cstdlib>  
  3. #include <cstdint>  
  4. #include <pthread.h>  
  5.   
  6. // [What is the direction of stack growth in most modern systems?](https://stackoverflow.com/questions/664744/what-is-the-direction-of-stack-growth-in-most-modern-systems)  
  7.   
  8. typedef enum  
  9. {  
  10.     _STACK_GROWS_DOWN,  
  11.     _STACK_GROWS_UP  
  12. }STACK_DIR;  
  13.   
  14. static STACK_DIR  
  15. test_stack_direction()  
  16. {  
  17.     static char *addr = 0;  
  18.     char dummy;  
  19.     if (addr == 0)  
  20.     {  
  21.         addr = &dummy;  
  22.         return test_stack_direction();  
  23.     }  
  24.     else  
  25.     {  
  26.         return ((&dummy > addr) ? _STACK_GROWS_UP : _STACK_GROWS_DOWN);  
  27.     }  
  28. }  
  29.   
  30. int main(int argc, const char * argv[]) {  
  31.     // insert code here...  
  32.     int i = 0; // dummy  
  33.     pthread_t tid = pthread_self();  
  34.       
  35.     void* stackaddr = pthread_get_stackaddr_np(tid);  
  36.     std::cout << "stackaddr = " << stackaddr << std::endl;  
  37.       
  38.     size_t stacksize = pthread_get_stacksize_np(tid);  
  39.     std::cout << "stacksize = " << stacksize << std::endl; // PTHREAD_STACK_MIN = 8K  
  40.       
  41.     // 打印局部变量地址  
  42.     std::cout << "&i = " << static_cast<const void *>(&i) << std::endl;  
  43.     std::cout << "&tid = " << static_cast<const void *>(&tid) << std::endl; // struct  
  44.       
  45.     int year = 2017;  
  46.     short month = 8;  
  47.     char day = 19;  
  48.     char wish[4]{0x11, 0x22, 0x33, 0x44};  
  49.       
  50.     // 打印局部变量地址  
  51.     std::cout << "&year = " << static_cast<const void *>(&year) << std::endl;  
  52.     std::cout << "&month = " << static_cast<const void *>(&month) << std::endl;  
  53.     std::cout << "&day = " << static_cast<const void *>(&day) << std::endl;  
  54.       
  55.     for (i=0; i<4; i++){  
  56.         std::cout << "&wish[" << i << "]" << " = " << static_cast<const void *>(&wish[i]) << std::endl;  
  57.     }  
  58.     std::cout << "wish as int = " << std::hex << "0x" << *reinterpret_cast<int*>(wish) << std::endl;  
  59.       
  60.     // 测试栈增长方向  
  61.     STACK_DIR stack_growth_dir = test_stack_direction();  
  62.     std::cout << "stack_growth_dir = " << stack_growth_dir << std::endl;  
  63.       
  64.     // 验证动态分配堆的增长(向高地址增长)  
  65.     void* ca = malloc(4);   // new?  
  66.     std::cout << "ca = " << std::hex << "0x" << (uintptr_t)ca << std::endl;  
  67.     void* cb = malloc(4);   // new?  
  68.     std::cout << "cb = " << std::hex << "0x" << (uintptr_t)cb << std::endl;  
  69.       
  70.     return EXIT_SUCCESS;  
  71. }  
复制代码


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