在c++中關於堆和堆疊的區別
從以往我們接觸c++這門語言開始就知道有堆和棧,棧我們一直稱之為堆疊,剛開始是個小白的時候就一直不明白堆疊到底是堆還是棧。
在C++中,記憶體分成5個區,他們分別是堆、棧、自由儲存區、全域性/靜態儲存區和常量儲存區。
棧,就是那些由編譯器在需要的時候分配,在不需要的時候自動清楚的變數
的儲存區。裡面的變數通常是區域性變數、函式引數等。
堆,就是那些由new分配的記憶體塊,他們的釋放編譯器不去管,由我們的應
用程式去控制,一般一個new就要對應一個delete。如果程式設計師沒有釋放掉,
那麼在程式結束後,作業系統會自動回收。
自由儲存區,就是那些由malloc等分配的記憶體塊,他和堆是十分相似的,
不過它是用free來結束自己的生命的。
全域性/靜態儲存區,全域性變數和靜態變數被分配到同一塊記憶體中,在以前的
C語言中,全域性變數又分為初始化的和未初始化的(初始化的全域性變數和靜態變
量在一塊區域,未初始化的全域性變數與靜態變數在相鄰的另一塊區域,同時未被
初始化的物件儲存區可以通過void*來訪問和操縱,程式結束後由系統自行釋
放),在C++裡面沒有這個區分了,他們共同佔用同一塊記憶體區。
常量儲存區,這是一塊比較特殊的儲存區,他們裡面存放的是常量,不允許
修改(當然,你要通過非正當手段也可以修改,而且方法很多)
明確區分堆與棧
我們舉一個例子:
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,我們首先就應該想到,我們
分配了一塊堆記憶體,那麼指標p呢?他分配的是一塊棧記憶體,所以這句話的意思
就是:在棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指標p。在程式會先確定在堆中
分配記憶體的大小,然後呼叫operator new分配記憶體,然後返回這塊記憶體的首地
址,放入棧中。
堆和棧究竟有什麼區別?
主要的區別由以下幾點:
1、管理方式不同;
2、空間大小不同;
3、能否產生碎片不同;
4、生長方向不同;
5、分配方式不同;
6、分配效率不同;
管理方式:對於棧來講,是由編譯器自動管理,無需我們手工控制;對於堆
來說,釋放工作由程式設計師控制,容易產生memory leak。
空間大小:一般來講在32位系統下,堆記憶體可以達到4G的空間,從這個角
度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講,一般都是有一定的空間
大小的,例如,在VC6下面,預設的棧空間大小是1M(好像是,記不清楚了)。
當然,我們可以修改:
開啟工程,依次操作選單如下:Project->Setting->Link,在Category 中
選中Output,然後在Reserve中設定堆疊的最大值和commit。
注意:reserve最小值為4Byte;commit是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面,它設
置的較大會使棧開闢較大的值,可能增加記憶體的開銷和啟動時間。
碎片問題:對於堆來講,頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續,
從而造成大量的碎片,使程式效率降低。對於棧來講,則不會存在這個問題,因
為棧是先進後出的佇列,他們是如此的一一對應,以至於永遠都不可能有一個內
存塊從棧中間彈出,在他彈出之前,在他上面的後進的棧內容已經被彈出,詳細
的可以參考資料結構,這裡我們就不再一一討論了。
生長方向:對於堆來講,生長方向是向上的,也就是向著記憶體地址增加的方
向;對於棧來講,它的生長方向是向下的,是向著記憶體地址減小的方向增長。
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,比如區域性變數的分配。動態分配
由alloca函式進行分配,但是棧的動態分配和堆是不同的,他的動態分配是由
編譯器進行釋放,無需我們手工實現。
分配效率:棧是機器系統提供的資料結構,計算機會在底層對棧提供支援:
分配專門的暫存器存放棧的地址,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++函式庫提供的,它的機制是很複雜的,例如為了分
配一塊記憶體,庫函式會按照一定的演算法(具體的演算法可以參考資料結構/操作系
統)在堆記憶體中搜索可用的足夠大小的空間,如果沒有足夠大小的空間(可能是
由於記憶體碎片太多),就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間,這
樣就有機會分到足夠大小的記憶體,然後進行返回。顯然,堆的效率比棧要低得多。
從這裡我們可以看到,堆和棧相比,由於大量new/delete的使用,容易造
成大量的記憶體碎片;由於沒有專門的系統支援,效率很低;由於可能引發使用者態
和核心態的切換,記憶體的申請,代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣
泛的,就算是函式的呼叫也利用棧去完成,函式呼叫過程中的引數,返回地址,
EBP和區域性變數都採用棧的方式存放。所以,我們推薦大家儘量用棧,而不是用
堆。
雖然棧有如此眾多的好處,但是由於和堆相比不是那麼靈活,有時候分配大
量的記憶體空間,還是用堆好一些。
無論是堆還是棧,都要防止越界現象的發生(除非你是故意使其越界),因
為越界的結果要麼是程式崩潰,要麼是摧毀程式的堆、棧結構,產生以想不到的
結果,就算是在你的程式執行過程中,沒有發生上面的問題,你還是要小心,說
不定什麼時候就崩掉,那時候debug可是相當困難的:)
例子:
//main.cpp
int a = 0; 全域性初始化區
char *p1; 全域性未初始化區
main()
{
int b; 棧
char s[] = "abc"; 棧
char *p2; 棧
char *p3 = "123456"; 123456在常量區,p3在棧上。
static int c =0; 全域性(靜態)初始化區
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。
strcpy(p1, "123456"); 123456放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。
}