[初学者的困惑] 堆和栈的区别 (转)

本文章转自网络

 

一、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，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另一块区域。 - 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。
二、例子程序
这是一个前辈写的，非常详细
//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\0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);
分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
strcpy(p1, "123456"); 123456\0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。
}
二、堆和栈的理论知识
2.1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
如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。
2.2
申请后系统的响应
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。
堆：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。
2.3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），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：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。
2.4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。
2.5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。
2.6存取效率的比较
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而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：
＃i nclude
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
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。
2.7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，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。
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首先，我们举一个例子：
void f() { int* p=new int[5]; }
这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：
00401028 push 14h
0040102A call operator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax
这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？澳，错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。
好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？
主要的区别由以下几点：
1、管理方式不同；
2、空间大小不同；
3、能否产生碎片不同；
4、生长方向不同；
5、分配方式不同；
6、分配效率不同；
管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：
打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。
碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。
生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。
分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由 alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。
从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。
虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。
无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的：）
对了，还有一件事，如果有人把堆栈合起来说，那它的意思是栈，可不是堆，呵呵，清楚了 
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堆和栈的区别主要分：
操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。
还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。
虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。
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通过堆栈调用解析多线程
首先说明一下，堆是进程的全局数据内存存储区，栈是函数的局部数据内存存储区。由于大多数书籍在介绍堆或栈时，皆以堆栈泛指，因此，题目标题亦如此表述，希望读者不要混淆就是了。
初见标题，也许有人觉得奇怪，多线程和堆栈有关系吗？初学多线程，很多概念难以辨清。要全面深入理解多线程，必须对栈有十分清楚的理解。个人感觉在 Windows编程中，栈的概念犹如C/C++中的指针，非常重要，但难于全面理解。市面上的书籍对堆栈的介绍或是蜻蜓点水、浮于表面；或是过于理论化，不够具体，不易理解。在这里，我以示例的形式将自己的一点学习体会写出来与大家分享。为了便于表述清楚，文章分为两部分：第一部分介绍栈的调用，这是此篇文章的核心。第二部分解析多线程的概念。
一、栈的调用
众所周知，在函数调用过程中，参数的传递是通过栈完成的，具体到机器码是什么样子呢？不同的调用约定（PASCAL约定或STDCALL约定等）将导致不同的参数压栈顺序，这些细节就略去不讲了，有兴趣的读者可以参考相关书目。为了把栈的概念表述清楚，这里将涉及到一些简单的汇编语言方面的知识，一点点而已。然后以一个简单的C++控制台程序为示例来进一步详细说明。先把代码列出来，够简单吧。
#include<iostream.h>
int fn(int n)
{
n+=1;
return n;
}
void main()
{
int i=1,j=10;
i=fn(i); // A
j=fn(j); // B
cout<<i<<" "<<j<<endl;
}
现在我们需要一点汇编方面的知识，以更好地了解栈是个什么东东。通俗一点讲，栈就是一块内存存储区，但是，这块内存存储区的操作使用有点特别。栈是由 CPU直接管理的内存数组，CPU使用寄存器对其进行管理。ESP寄存器存放栈底（栈是向下增长的）数据的地址。push指令将数据压入栈中，ESP寄存器的值将随之减小；相反，pop指令将数据从栈底弹出，ESP寄存器的值随之增大。这样，ESP寄存器将始终存放栈底数据的地址。另一方面呢，CPU在执行代码的时候，完全是依靠CPU内部的寄存器完成的。通过EIP寄存器寻找当前要执行的代码，通过EBP、ESP定位函数参数的地址、函数局部变量，等等等等。
下面让我们看一下，当某一个函数被调用时，栈将有何变动。
（l）、函数参数被压入栈中。
（2）、返回地址（被调用函数执行完后将被执行的语句地址）被压入栈中，函数被调用，此时，CPU将准备执行函数体内的代码。
（3）、函数代码开始执行，首先执行的是将EBP压入栈中。
（4）、使EBP的值等于ESP。现在，EBP纪录的是当前栈底地址（ESP），以后函数就可以利用EBP对压栈的函数参数进行寻址了（此时已压栈的有函数参数、返回地址、EBP原始值）。
（5）、从ESP中减掉一定的数值，为函数留下局部变量空间。此后，ESP将用于局部变量的寻址。
编译器设计者的聪明才智真是令人敬佩。高级语言书写简单的一句函数调用，被编译成了如此繁杂的机器代码。
好了，下面我们再具体一点，以前面的C++程序为例，以VC反汇编断点调试的方式，看看以上过程是如何实现的。
在A处，进程的主线程调用了函数fn并传递了参数。其汇编代码如下：
004010B6 mov eax,dword ptr [ebp-4] //此时ebp=0x0012ff80，&i=0x12ff7c，ebp-4为i的地址
004010B9 push eax
004010BA call @ILT+20(fn) (00401019)
再明显不过了，第一行汇编代码将变量i的数值放入寄存器eax中。第二行汇编代码将变量i的数值压入栈中，对应前面（1）。第三行汇编代码执行call指令，此条指令自动将返回地址压入栈中，然后，跳转到函数体内部，准备执行函数内部的代码，对应前面（2）。
现在我们再来看看函数内部的代码是什么样子。这里只截取部分相关代码。
2: int fn(int n)
3: {
00401050 push ebp
00401051 mov ebp,esp
… … … …
4: n+=1;
00401068 mov eax,dword ptr [ebp+8] //此时ebp=0x12ff20 &n=0x12ff28 eax=1
0040106B add eax,1
0040106E mov dword ptr [ebp+8],eax
第一行汇编代码对应前面（3）。第二行汇编代码对应前面（4）。第三行汇编代码将变量n的数值放入寄存器eax中。第四行汇编代码将其加一。第五行汇编代码将结果放回变量n。这里可以十分清楚地看到，EBP寄存器用于参数的寻址。
现在我们再看看B处函数调用的情况。
004010C5 mov ecx,dword ptr [ebp-8] //此时ebp=0x12ff80，&j=0x12ff78 ，ebp-8为j的地址
004010C8 push ecx
004010C9 call @ILT+20(fn) (00401019)
可以看到，除了压栈数值变化以外，没有其它不同了。A处压栈i，B处压栈j。
下面使用VC单步调试，再来看函数体内部，汇编代码没有任何不同，不同的只是栈。当然了，函数体的代码是编译器一次性编译的。即使被多次调用，去完成不同的工作，不同的只是参数（调用栈），函数内部使用间接寻址，只是相同的机器码操作不同的内存存储区而已。
2: int fn(int n)
3: {
00401050 push ebp
00401051 mov ebp,esp
… … … …
4: n+=1;
00401068 mov eax,dword ptr [ebp+8] //此时ebp=0x12ff20 &n=0x12ff28 eax=10
0040106B add eax,1
0040106E mov dword ptr [ebp+8],eax
到了这里，栈的概念就讲完了。
二、解析多线程
这里首先要明确一点：每一个线程都独立拥有一个栈。
我们知道，Windows系统是一个多任务操作系统，多个线程可以“同时”执行。前面讲到，CPU执行程序代码完全依靠各种寄存器。当一个线程将被挂起时，当前的各种寄存器的数值就被存储在了线程的栈中。当CPU重新执行此线程时，将从栈中取出寄存器的数值，接着运行，好像这个线程从来就没有被打断过一样。正是因为每个线程都有一个独立的栈，使线程拥有了可以“闭门造车”的能力。只要将参数传递给线程的栈，CPU将担负起这块内存存储区的管理工作，并适时地执行线程函数代码对其进行操作，所有这一切与前面所讲述的没有不同。当系统在多个线程间切换时，CPU将执行相同的代码操作不同的栈。
下面举一个例子来加深理解。
随着面向对象编程方法的普及，我们很乐意将任何操作都包装成为一个类。线程函数也不例外，以静态函数的形式将线程函数放在类中是C++编程普遍使用的一种方法。通常情况下对象包括属性（类变量）与方法（类函数）。属性指明对象自身的性质，方法用于操作对象，改变它的属性。现在有一个小问题要注意了。类的静态函数只能访问类的静态变量，而静态变量是不属于单个对象的，他存放在进程的全局数据存储区。一般情况下，我们希望每个对象能够“独立”，也就是说，多个对象能够各自干各自的工作，不要相互打扰。如果以通常的方法，以类（静态）变量存储对象的属性，可就要出问题了，因为类（静态）变量不属于单个对象。现在怎么办呢？如何继续保持每个对象的“独立性”。解决的方法就是使用栈，将参数传递给线程函数的局部变量（栈存储区），以单个对象管理每个线程，问题就解决了。当然了，解决方法是多种多样的，这里只是为了进一步解释多线程与对象的关系。
由于Windows的内部实现实在是太复杂了，这里只是在应用的层面上对栈给出解释。若深入到Windows内部，栈的定位首先需要依据寄存器SS经由（全局或局部）段描述符表得到相应的线性地址（虚拟地址）基址，此基址与EIP相加，然后再经由分页机制寻址物理内存。有兴趣的读者可以参阅文章后面的参考书目。一点学习体会写出来与大家分享，有不对的地方，欢迎指正。
参考书目：
《Intel汇编语言程序设计》（第四版），作者：Kip R.Irvine，电子工业出版社翻译出版。
《Windows环境下32位汇编语言程序设计》，作者：罗云彬，电子工业出版社出版。