理解堆与栈

一、引言：
    一直不太明白堆与栈到底是什么，是指一块内存区呢，还是指一种数据结构？编写程序中总提到内存分配的栈与堆的区别，静态与动态分配等，总也弄不明白，隐约知道一点，但总分不清堆与栈到底是一块内存区还是内存分配的方式，或者只是一种数据结构？？？

跟杨惠讨论如何建立决策树的时候，她说实际上就是进栈出栈，当时真是一头雾水呀。隐约知道《TIJ》中说栈是存放数据的一个地方（实际是RAM），以前学数据结构时的栈是什么已经不记得了。今天终于下决心先理清堆与栈的概念。

二、明确操作系统(或编译原理)的堆与栈和数据结构的堆与栈是不同的概念
参考资料摘录：

1.http://www.bloghome.cn/posts/52992

a）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。

b）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。

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。

2.http://topic.csdn.net/t/20051107/15/4376867.html
看 了大家对操作系统中堆与栈的说明，受益匪浅。我只是在数据结构的层面上说明一下堆与栈：这是两个完全相关的数据结构。栈结构就是后进先出的那个顺序结构， 任何的数据结构书中都有说明的，而堆结构是一棵完全二叉树，这棵二叉树的特点是每个结点的值都比它两个孩子结点中的值小(或者大，当然如果它有孩子结点的 话)。栈结构主要用在临时存储局部结果上，堆结构的特点主要是可以快速地连续取最值(因此当然可以排序啦)，这是我对这两个数据结构的理解。

3.http://www.cnblogs.com/liangqihui/archive/2005/07/29/202989.html
在google.com搜索 “编译原理与实践”，看第7章，就会明白大概了

[精华] Re: 请问堆和栈有什么区别? [re: yuan_weiqi]
   
很喜欢你生气的样子，grin
呵 呵，不开玩笑了，其实大家有点胡扯，也不是有意，因为堆和栈这2个概念本身就比较混沌，有时候是指两种数据结构，教科书里写的比较清楚（不过说实在的，堆 的定义还真有点忘了，shrug）；有时候，这2个概念又指两种内存分配的方式，这通常是在操作系统原理里讲。上面这2种情况，原理性概念性比较强，实际 中真很少人去仔细想（惭愧ing）。第三种时候，也是我在前面胡扯的，呵呵，这2个概念通常又混在一起，大家都堆栈堆栈的说，时间长了，也分不清了:)， 这还是和第二种有关，因为大多数OS通常是将heap和stack放在一起（或者说比较接近），通常一个在高端，一个在低端，分配内存时，方向是相对的， 之间并没有很明确的界限，APUE CHAP7有讲。
另外，印象中，两者还有一个区别就是，stack通常用于函数调用，而heap通常用于进程内局部变量的分配，不过这个印象是很久之前的印象了，不知道对不对。
BTW，偶不是高手，连所谓的都不是：），不过倒学到一点技巧，这里的高手往往不轻易出手，最好的方法就是刺激他们，嘿嘿

三、由C/C++编译的程序占用的内存分配－堆与栈的区别
http://www.bloghome.cn/posts/52992
堆与栈的区别
c /liaxiz 发表于2006-10-14 23:32

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。

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：
#include
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。

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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      堆(heap)和栈(stack)是C/C++编程不可避免会碰到的两个基本概念。首先，这两个概念都可以在讲数

据结构的书中找到，他们都是基本的数据结构，虽然栈更为简单一些。

      在具体的C/C++编程框架中，这两个概念并不是并行的。对底层机器代码的研究可以揭示，栈是机器

系统提供的数据结构，而堆则是C/C++函数库提供的。

      具体地说，现代计算机(串行执行机制)，都直接在代码底层支持栈的数据结构。这体现在，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。这种机制的特点是效率高，支持

的数据有限，一般是整数，指针，浮点数等系统直接支持的数据类型，并不直接支持其他的数据结构。因

为栈的这种特点，对栈的使用在程序中是非常频繁的。对子程序的调用就是直接利用栈完成的。机器的

call指令里隐含了把返回地址推入栈，然后跳转至子程序地址的操作，而子程序中的ret指令则隐含从堆

栈中弹出返回地址并跳转之的操作。C/C++中的自动变量是直接利用栈的例子，这也就是为什么当函数返

回时，该函数的自动变量自动失效的原因(因为堆栈恢复了调用前的状态)。

      和栈不同，堆的数据结构并不是由系统(无论是机器系统还是操作系统)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。当程序使用这些函数去获得新的内存

空间时，这套函数首先试图从内部堆中寻找可用的内存空间，如果没有可以使用的内存空间，则试图利用

系统调用来动态增加程序数据段的内存大小，新分配得到的空间首先被组织进内部堆中去，然后再以适当

的形式返回给调用者。当程序释放分配的内存空间时，这片内存空间被返回内部堆结构中，可能会被适当

的处理(比如和其他空闲空间合并成更大的空闲空间)，以更适合下一次内存分配申请。这套复杂的分配机

制实际上相当于一个内存分配的缓冲池(Cache)，使用这套机制有如下若干原因：

    1. 系统调用可能不支持任意大小的内存分配。有些系统的系统调用只支持固定大小及其倍数的内存

请求(按页分配)；这样的话对于大量的小内存分类来说会造成浪费。

    2. 系统调用申请内存可能是代价昂贵的。系统调用可能涉及用户态和核心态的转换。

    3. 没有管理的内存分配在大量复杂内存的分配释放操作下很容易造成内存碎片。

    堆和栈的对比

    从以上知识可知，栈是系统提供的功能，特点是快速高效，缺点是有限制，数据不灵活；而堆是函数

库提供的功能，特点是灵活方便，数据适应面广泛，但是效率有一定降低。栈是系统数据结构，对于进程

/线程是唯一的；堆是函数库内部数据结构，不一定唯一。不同堆分配的内存逻辑上无法互相操作。栈空

间分静态分配和动态分配两种。静态分配是编译器完成的，比如自动变量(auto)的分配。动态分配由

alloca函数完成。栈的动态分配无需释放(是自动的)，也就没有释放函数。为可移植的程序起见，栈的动

态分配操作是不被鼓励的！堆空间的分配总是动态的，虽然程序结束时所有的数据空间都会被释放回系统

，但是精确的申请内存/释放内存匹配是良好程序的基本要素。

四、参考资料：
1.堆与栈的区别
http://www.bloghome.cn/posts/52992

2.内存分配中堆与栈的区别
http://blog.bioon.cn/user1/8688/archives/2006/53255.shtml

http://blog.csdn.net/tiger406/archive/2006/09/07/1192110.aspx

3.请问堆和栈有什么区别?-讨论答案,现在开始求慎解
http://www.cnblogs.com/liangqihui/archive/2005/07/29/202989.html