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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 計算模擬區(qū) » 程序語言 » C/C++ » 【分享】堆和棧的區(qū)別
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snowboy9859金蟲 (正式寫手)
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【分享】堆和棧的區(qū)別 已有8人參與
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一、預備知識—程序的內存分配 一個由c/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分 1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結構中的棧。 2、堆區(qū)（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，呵呵。 3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。 - 程序結束后有系統(tǒng)釋放 4、文字常量區(qū)—常量字符串就是放在這里的。 程序結束后由系統(tǒng)釋放 5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。 二、例子程序 這是一個前輩寫的，非常詳細 //main.cpp int a = 0; 全局初始化區(qū) char *p1; 全局未初始化區(qū) main() { int b; 棧 char s[] = "abc"; 棧 char *p2; 棧 char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區(qū)，p3在棧上。 static int c =0； 全局（靜態(tài)）初始化區(qū) p1 = (char *)malloc(10); p2 = (char *)malloc(20); 分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。 strcpy(p1, "123456"  ; 123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優(yōu)化成一個地方。 } 二、堆和棧的理論知識 2.1申請方式 stack: 由系統(tǒng)自動分配。 例如，聲明在函數(shù)中一個局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間 heap: 需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數(shù) 如p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new運算符 如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在棧中的。 2.2 申請后系統(tǒng)的響應 棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。 堆：首先應該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內存地址的鏈表，當系統(tǒng)收到程序的申請時， 會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，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。另外，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。 2.3申請大小的限制 棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數(shù)據(jù)結構，是一塊連續(xù)的內存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預先規(guī)定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數(shù)），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 堆：堆是向高地址擴展的數(shù)據(jù)結構，是不連續(xù)的內存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統(tǒng)中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。 2.4申請效率的比較： 棧由系統(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。 堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)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，也不是在棧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。但是速度快，也最靈活。 2.5堆和棧中的存儲內容 棧： 在函數(shù)調用時，第一個進棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。 當本次函數(shù)調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點繼續(xù)運行。 堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。 2.6存取效率的比較 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的； 但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針所指向的字符串(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; } 對應的匯編代碼 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 第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，在根據(jù)edx讀取字符，顯然慢了。 2.7小結： 堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出： 使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發(fā)出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。 使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。 |
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2樓2010-05-26 18:01:53
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3樓2010-05-28 14:36:16
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4樓2010-05-29 12:07:51
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resonant(金幣+2):感謝提供：-） 2010-06-01 15:02:34
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有一點我個人認為不太對。那就是stack比heap快。LZ的分析是要說明，heap有申請的過程，這個過程占了時間。所以heap慢。但我認為這是stack在作弊。因為stack的空間是已經(jīng)自動分配好了的，所以，如果去除了這個環(huán)節(jié)，連個的速度應該不相上下。（我沒有實際測試）所以，如果我們預先分配一塊內存，當需要用heap的時候，從這個已經(jīng)分配好的內存里劃分一塊出來，那么，結果又如何呢？ 至于最后的匯編分析，我想可能是因為代碼沒有優(yōu)化的結果。造成指針變量有一個加載的過程。但這不應該是heap慢的原因。 |
5樓2010-06-01 14:28:16
6樓2010-06-01 14:48:40
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余澤成(金幣+3):謝謝專家詳細點評！ 2010-06-02 09:48:54
wangen994(程序強帖+1):辛苦了，歡迎繼續(xù)支持程序語言版 2010-06-02 12:54:22
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從程序員的角度，heap和鏈表沒有任何關系，程序員是無法通過heap中使用的第一個內存區(qū)域遍歷其他所有區(qū)域的。只能說某些OS使用類似鏈表的數(shù)據(jù)結構來管理內存。 這個說法是不準確的，stack的空間是在線程創(chuàng)建的時候就commit好的，入棧操作只是棧頂指針的改變，不存在開辟空間的問題。 其實C++中也是可以用malloc分配內存的。malloc和new的區(qū)別在于new會自動調用構造函數(shù)而malloc不會。 stack的大小不是OS規(guī)定的，而是編譯時由編譯器確定的。樓主所說的2M或者1M應該是某種編譯器的默認stack大小吧。要調整stack的大小只需要編譯時指定適當?shù)木幾g參數(shù)就可以了。不過通常編譯器的默認stack大小是足夠的，如果程序中出現(xiàn)stack overflow一般都是代碼或算法的問題 heap的大小并非只是受限于虛擬內存大小，還與OS等有關。比如windows下默認的用戶態(tài)內存空間為2GB，也就意味著就算系統(tǒng)有2GB以上的虛擬內存，程序員也只能獲得<2GB的Heap空間。ps:貌似沒有鏈表一定是不連續(xù)的說法，鏈表的內存空間也有可能連續(xù)，只是鏈表不要求內存是連續(xù)的，是否連續(xù)對鏈表來說沒有影響。 1.對于用寄存器傳遞返回值的系統(tǒng)來說，主調函數(shù)的下一條指令地址是最先進棧的。但對于用stack傳遞返回值的系統(tǒng)來說，返回值是最先進棧的。 2.棧頂指針指向主調函數(shù)中下一條指令的地址并不會讓程序由該點繼續(xù)運行，而是要將該地址出棧，送入(E)IP寄存器中。 一個字節(jié)顯然是不夠存放heap的大小的。 這段代碼對比的顯然不是內存IO的速度，而只是尋址的效率問題。 如果把上面的代碼char *p ="1234567890";改為char *p=c;顯然p所指向的內存也是在stack中的。按照樓主的說法，修改后對p[1]的訪問就會變快。但顯然修改后對p[1]的尋址方式和修改前是一樣的，也就是說對p[1]的訪問速度是不變的。 [ Last edited by magic7004 on 2010-6-2 at 09:11 ] |
7樓2010-06-02 09:00:31
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8樓2010-06-27 13:31:34
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9樓2010-07-24 07:34:26
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