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堆疊在C語言中的定義(微控制器的中堆疊相當於棧)

在計機領域,堆疊是一個不容忽視的概念,我們編寫的C語言程式基本上都要用到。但對於很多的初學著來說,堆疊是一個很模糊的概念。堆疊:一種資料結構、一個在程式執行時用於存放的地方,這可能是很多初學者的認識,因為我曾經就是這麼想的和組合語言中的堆疊一詞混為一談。我身邊的一些程式設計的朋友以及在網上看帖遇到的朋友中有好多也說不清堆疊,所以我想有必要給大家分享一下我對堆疊的看法,有說的不對的地方請朋友們不吝賜教,這對於大家學習會有很大幫助。

首先了解下計算機C語言中各個變數的存放區域:

程式碼區(CODE): 存放函式程式碼;
靜態資料區(DATA): 存放全域性變理/靜態變數;
堆區(HEAP): 是自由儲存區,存放動態資料,像new,malloc()申請的空間就是堆區的;
棧區(

STACK): 存放臨時/區域性變數。

資料結構的棧和堆
首先在資料結構上要知道堆疊,儘管我們這麼稱呼它,但實際上堆疊是兩種資料結構:堆和棧。
堆和棧都是一種資料項按序排列的資料結構。

棧就像裝資料的桶或箱子
我們先從大家比較熟悉的棧說起吧,它是一種具有 後進先出 性質的資料結構,也就是說後存放的先取,先存放的後取。這就如同我們要取出放在箱子裡面底下的東西(放入的比較早的物體),我們首先要移開壓在它上面的物體(放入的比較晚的物體)。

堆像一棵倒過來的樹
而堆就不同了,堆是一種 經過排序的樹形資料結構 ,每個結點都有一個值。通常我們所說的堆的資料結構,是指二叉堆。堆的特點是根結點的值最小(或最大),且根結點的兩個子樹也是一個堆。由於堆的這個特性,常用來實現優先佇列, 堆的存取是隨意 ,這就如同我們在圖書館的書架上取書,雖然書的擺放是有順序的,但是我們想取任意一本時不必像棧一樣,先取出前面所有的書,書架這種機制不同於箱子,我們可以直接取出我們想要的書。

記憶體分配中的棧和堆
然而我要說的重點並不在這,我要說的堆和棧並不是資料結構的堆和棧,之所以要說資料結構的堆和棧是為了和後面我要說的堆區和棧區區別開來,請大家一定要注意。
下面就說說C語言程式記憶體分配中的堆和棧,這裡有必要把記憶體分配也提一下,大家不要嫌我囉嗦,一般情況下程式存放在Rom或Flash中,執行時需要拷到記憶體中執行,記憶體會分別儲存不同的資訊,如下圖所示:

記憶體中的棧區處於相對較高的地址以地址的增長方向為上的話,棧地址是向下增長的。
棧中分配區域性變數空間,堆區是向上增長的用於分配程式設計師申請的記憶體空間。另外還有靜態區是分配靜態變數,全域性變數空間的;只讀區是分配常量和程式程式碼空間的;以及其他一些分割槽。

來看一個網上很流行的經典例子:
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\0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); 堆
p2 = (char *)malloc(20); 堆
}

0.申請方式和回收方式不同
不知道你是否有點明白了,堆和棧的第一個區別就是申請方式不同:棧(英文名稱是stack)是系統自動分配空間的,例如我們定義一個 char a; 系統會自動在棧上為其開闢空間 。而堆(英文名稱是heap)則是 程式設計師根據需要自己申請的空間 ,例如malloc(10);開闢十個位元組的空間。由於 棧上的空間是自動分配自動回收的 ,所以棧上的資料的生存週期只是在函式的執行過程中,執行後就釋放掉,不可以再訪問。而 堆上的資料只要程式設計師不釋放空間,就一直可以訪問到 ,不過缺點是一旦忘記釋放會造成記憶體洩露。還有其他的一些區別我認為網上的朋友總結的不錯這裡轉述一下:

1.申請後系統的響應
棧:只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將為程式提供記憶體,否則將報異常提示棧溢位。

堆:首先應該知道 作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列 ,當系統收到程式的申請時,會遍歷該連結串列,尋找第一個空間大於所申請空間的堆。

結點,然後將該結點從空閒結點連結串列中刪除,並將該結點的空間分配給程式,另外,對於大多數系統,會在這塊記憶體空間中的 首地址處記錄本次分配的大小 ,這樣,程式碼中的 delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的 將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中 。

也就是說 堆會在申請後還要做一些後續的工作這就會引出申請效率的問題。

2.申請效率的比較
根據第0點和第1點可知。
棧:由系統自動分配,速度較快。但程式設計師是無法控制的。

堆:是由new分配的記憶體,一般速度比較慢,而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便