堆和栈的深层次理解

一、堆和栈的概念区别

堆:是大家共有的空间,分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间,局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程 初始化的时候分配,运行过程中也可以向系统要额外的堆,但是记得用完了要还给操作系统,要不然就是内存泄漏。堆里面一般 放的是静态数据,比如static的数据和字符串常量等,资源加载后一般也放在堆里面。一个进程的所有线程共有这些堆 ,所以对堆的操作要考虑同步和互斥的问题。程序里面编译后的数据段都是堆的一部分。 栈:是个线程独有的,保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化,每个线程的栈互相独立,因此 ,栈是 thread safe的。每个c++对象的数据成员也存在在栈中,每个函数都有自己的栈,栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈,就是 切换ss/esp寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配 和释放

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。其操作方式类似于数据结构中的栈。

  2. 堆区(heap) — 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,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。

  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另一块区域。程序结束后由系统释放。

  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。

二、例子程序

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
//main.cpp
int a = 0; 全局初始化区
char *p1; 全局未初始化区
main()
{
int b; //栈
char s[] = "abc"; //栈
char *p2; //栈
char *p3 = "123456"; //123456{row.content}在常量区,p3在栈上。
static int c =0//全局(静态)初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);//分配得来的10和20字节的区域就在堆区。
strcpy(p1, "123456"); //123456{row.content}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。
}

三、堆和栈的理论知识

1.申请方式

stack: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

heap:需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数

p1 = (char *)malloc(10); 在C++中用new运算符 如p2 = (char *)malloc(10); 但是注意p1、p2本身是在栈中的。

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,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。

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(也可能是1M,它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。

4.申请效率的比较:

栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。 堆是由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,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,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。

5.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。

堆: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

6.存取效率的比较

1
2
`char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"`; <br/>
`char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb`";

复制代码
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的;
bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;
但是,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。
比如:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}

对应的汇编代码

1
2
3
4
5
6
7
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。

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,吃完之后还得清洗、打扫等后续工作(不然用完了不清洗就不好再用),但是比较符合自己的口味,而且自由度大

热评文章