操作系统之堆和栈的区别

程序的内存分配

在C/C++程序中，占用的内存分为几个部分：

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。

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

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 - 程序结束后有系统释放

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

程序代码区：存放函数体的二进制代码

贴上自己照着敲的一段代码：

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//  main.cpp
//  堆和栈的区别
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#include <iostream>
int a = 0;    //全局初始化区
char * p1;    //全局初始化区
int main(int argc, const char * argv[]) {
    // insert code here...
    int b;    //栈
    char s[] = "abc";    //栈
    char *p2;    //栈
    char *p3 = "123456";    //字符串"1234456"在常量区，p3在栈上
    static int c = 0;    //全局静态区
    p1 = (char*)malloc(100);    //分配的100（字节）存储在堆上，但是p1和p2本身是在栈上
    p2 = (char*)malloc(100);    //同上
   
    strcpy(p1, "123456");
    //同样的，字符串是在常量区，这段代码执行的功能和p3的功能是一样的，所以编译器可能将p1和p3指向同一个地方
   
    return 0;
}

（PS：这里建议大家自己敲一遍，加深自己的印象）

在这个程序中，我们可以发现（教大家一些小技巧）

  • 变量前不加static关键字：

    1. 在函数体内定义的变量存储在栈；
    2. 使用到了c中的malloc或者c++的new等关键字的分配了内存的存储在堆上；
    3. 像是定义的const * char或者const string的字符串则存储在文字常量区；
    4. 当你定义了一个函数名的时候（例如在.h文件中），这些函数体则存储在程序代码区；

  • 变量前加static关键字：

    1. 在函数体外定义的变量，无论加不加static关键字，都存储在全局初始化区；
    2. 有关键字static自然存储在全局静态区；

我们还发现，p1,p3自己本身存储在栈上，但是程序malloc的一段内存是存储在堆上；

堆和栈的理论知识

当我们了解了它们分配的位置以后，我们接下来看看，它们是怎么运作的（数据结构～）

栈

栈是为执行线程留出的内存空间（当线程创建的时候，操作系统会为每个系统级的线程分配栈）；

当你执行函数的时候，会分配线程，就像这个：

栈顶会为局部变量和数据预留块，当函数执行完毕，块就没有用了，可能在下次的函数调用的时候再被使用，栈通常都是采用后进先出的方式预留空间；

因此最近的保留块通常最先被释放，从栈中释放块不过是指针的偏移（这里和数据结构中的栈的意思类似）

在代码底层会直接的支持栈的数据结构，有专门的寄存器指向栈所在的地址，有专门的机器指令完成数据入栈出栈的操作；

  1. 栈和sp寄存器（堆栈指针寄存器，堆栈指针寄存器在堆栈操作中使用，PUSH和POP指令是从SP寄存器得到现行堆栈段的段内偏移量，所以称SP寄存器为堆栈指针，SP始终指向栈顶）一起工作，最初 sp 指向栈顶（栈的高地址）；

  2. 当用 push 压栈时，sp 值减少（向低地址扩展）。当用 pop 弹栈时，sp 值增大。存储和获取数据都是 CPU 寄存器的值；

  3. 如果函数有参数的话，在函数调用之前，会将参数压栈。函数中的代码通过 sp 的当前位置来定位参数并访问它们；

  4. 当函数被调用时，CPU使用特定的指令把当前的 IP （译者注：“instruction pointer”，是一个寄存器，用来记录 CPU 指令的位置）压栈。即执行代码的地址。CPU 接下来将调用函数地址赋给 IP ，进行调用。当函数返回时，旧的 IP 被弹栈，CPU 继续去函数调用之前的代码。

  5. 当进入函数时，sp 向下扩展，扩展到确保为函数的局部变量留足够大小的空间。如果函数中有一个 32-bit 的局部变量会在栈中留够四字节的空间。当函数返回时，sp 通过返回原来的位置来释放空间。

这张图很好的说明上面的步骤，可以发现：

  1. 通过sp寄存器的移动，分配内存空间；
  2. 当需要保存数据的时候，将它们压入栈中，不需要的时候，出栈，则可以回到原来的地址；
  3. 先压入参数，再压入调用函数地址，才进入到函数内部；
  4. 当函数内部调用另一个函数的时候，会压入当前执行的地址，待执行另一个函数完后，会出栈，则可以回到原来的地址；
  5. sp寄存器通过出栈返回原来的地址释放内存空间；

注意：

每一次新调用的函数都会分配函数参数，返回值地址、局部变量空间、嵌套调用的活动记录都要被压入栈中。函数返回时，按照正确方式的撤销

堆

堆的数据结构并不是由系统支持的，而是由函数库提供的基本的malloc/realloc/free函数维护了一套内部的堆数据结构（所以才需要程序员自己释放内存，否则会造成内存泄漏）；

堆包含了一个链表来维护已用和空闲的内存块；

申请内存：
当程序需要在堆中分配内存的时候，会从内部堆中寻找可用的内存空间，通过链表找到符合大小的内存块（链表遍历的方向是由低地址指向高地址），但是由于堆是不连续的内存区域，当找不到合适的内存区域的时候，则会利用系统调用来动态增加程序数据段的内存大小；
释放内存：

当系统受到程序的释放内存的申请的时候，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请的堆结点，然后该结点会从链表中删除，并将该结点的空间释放给内存，这片内存空间又会返回到堆结构中，会经过内存块的组合，以便适合下次内存分配申请；（这里面如果没有管理内存分配在释放内存时很容易会造成内存碎片）

注意：

每一个线程都有一个栈，但是每一个应用程序通常都只有一个堆（尽管为不同类型分配内存使用多个堆的情况也是有的）；

在多线程环境下每一个线程都可以有他自己完全的独立的栈，但是他们共享堆。并行存取被堆控制而不是栈；

栈和堆使用的函数是不同的，这里要注意alloca函数是分配在栈上的，别混了！栈空间分为静态和动态，释放函数是没有的，因为自动释放；

区别（PS：这里是很多面试官都喜欢问的问题）

内存分配方面：

堆：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，分配方式是类似于链表。可能用到的关键字如下：new、malloc、delete、free等等。

栈：由编译器(Compiler)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。

申请方式方面：

堆：需要程序员自己申请，并指明大小。在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10)；在C++中用new运算符，但是注意p1、p2本身是在栈中的。因为他们还是可以认为是局部变量。
     
栈：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。

系统响应方面：

堆：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。

栈：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。

大小限制方面：

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。

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，栈的大小是固定的（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。

效率方面：

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。

栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

存放内存方面：

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。

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，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。

存取效率方面：

堆：char *s1 = "Hellow Word"；是在编译时就确定的；

栈：char s1[] = "Hellow Word"； 是在运行时赋值的；用数组比用指针速度要快一些，因为指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下，而数组在栈上直接读取。

总结

到了这里，相信应该了解堆和栈的区别了吧，我就总结一下吧；

栈是操作系统提供的功能，有系统支持，自然快速高效，但是缺点是存储的空间不够大；而堆是关于申请内存和释放内存的函数的事，由程序自己控制，这里速度就会较栈慢些；

有人会想，能否判断一个指针指向的是栈还是堆？
贴上网址：http://www.zhihu.com/question/29538036
其实我的答案是，应该可以，但是～（程序不是除了栈就是堆的啊啊啊）

posted @ 2017-02-15 06:41  banananana  阅读(2837)  评论(0)  编辑  收藏  举报