## 数据结构中的堆和栈 与 内存分配中的堆区和栈区 分析 在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，我们编写的C/C++语言程序基本上都要用到。但对于非常多的初学着来说，堆栈是一个非常模糊的概念。 ### 数据结构的栈和堆 首先在数据结构上要知道堆栈，虽然我们这么称呼它，但实际上堆栈是两种数据结构：堆和栈。 堆和栈都是一种数据项按序排列的数据结构。 **栈就像装数据的桶或箱子** 我们先从大家比較熟悉的栈说起吧。它是一种具有后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取。先存放的后取。这就如同我们要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比較早的物体），我们首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。 **堆像一棵倒过来的树** 而堆就不同了。堆是一种经过排序的树形数据结构。每一个结点都有一个值。 通常我们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小（或最大）。且根结点的两个子树也是一个堆。因为堆的这个特性，经常使用来实现优先队列，堆的存取是随意。这就如同我们在图书馆的书架上取书，尽管书的摆放是有顺序的。可是我们想取随意一本时不必像栈一样，先取出前面全部的书。书架这样的机制不同于箱子，我们能够直接取出我们想要的书。 ### 内存分配中的栈和堆 内存中的栈区处于相对较高的地址以地址的增长方向为上的话，栈地址是向下增长的。栈中分配局部变量空间。堆区是向上增长的用于分配程序猿申请的内存空间。另外还有静态 区是分配静态变量，全局变量空间的；只读区是分配常量和程序代码空间的；以及其它一些分区。  ## 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下面几个部分 1、栈区（stack）— 由编译器自己主动分配释放 。存放函数的參数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。 2、堆区（heap） — 一般由程序猿分配释放。 若程序猿不释放，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，分配方式倒是类似于链表，呵呵。 3、全局区（静态区）（static）—。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还有一块区域。 - 程序结束后有系统释放 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。 ## 堆和栈的理论知识 ### 申请方式 stack：由系统自己主动分配。 比如。声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自己主动在栈中为b开辟空间 heap：须要程序猿自己申请。并指明大小，在c中malloc函数 ，如 ``` p1 = (char *)malloc(10); ``` 在C++中用new运算符，如 ``` p2 = (char *)malloc(10); ``` 可是注意p1、p2本身是在栈中的。 ### 申请后系统的响应 栈：仅仅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。 堆：首先应该知道操作系统有一个记录空暇内存地址的链表，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，然后将该结点从空暇结点链表中删除，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语句才干正确的释放本内存空间。 另外。因为找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小。系统会自己主动的将多余的那部分又一次放入空暇链表中。 ### 申请大小的限制 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2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），假设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：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是因为系统是用链表来存储的空暇内存地址的，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，堆获得的空间比較灵活。也比较大。 ### 申请效率的比較 栈由系统自己主动分配，速度较快。但程序猿是无法控制的。 堆是由new分配的内存，一般速度比較慢。并且easy产生内存碎片,只是用起来最方便. 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。尽管用起来最不方便。可是速度快，也最灵活。 ### 堆和栈中的存储内容 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运行语句）的地址，然后是函数的各个參数。在大多数的C编译器中。參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。然后是參数。最后栈顶指针指向最開始存的地址。也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续执行。 堆：通常是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。 堆中的详细内容有程序猿安排。 ### 存取效率的比較 ``` char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; ``` aaaaaaaaaaa是在执行时刻赋值的； 而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的。 可是，在以后的存取中。在栈上的数组比指针所指向的字符串(比如堆)快。 比方： ``` #include void main() { char a = 1; char c[] = "1234567890"; char *p ="1234567890"; a = c[1]; a = p[1]; return; } ``` 相应的汇编代码 ``` 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 ``` 第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而另外一种则要先把指针值读到edx中。在依据edx读取字符，显然慢了。 ### 小结 堆和栈的差别能够用例如以下的比喻来看出： 使用栈就象我们去饭馆里吃饭。仅仅管点菜（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，他的优点是快捷，可是自由度小。 使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴。比較麻烦。可是比較符合自己的口味，并且自由度大。