【C++基础 01】堆和栈的概念

 

好记性不如烂笔头,学习c++的时间也不是很久,趁着这段时间看 《C++ Primer》将学习笔记整理一下,与君共勉。

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首先要区分一下概念:


【数据结构的栈和堆】

堆:也叫优先队列,是一棵完全二叉树,它的特点是父节点的值大于(小于)两个子节点的值(分别称为大顶堆和小顶堆)。它常用于管理算法执行过程中的信息,应用场景包括堆排序,优先队列等。

栈:具有后进先出性质的数据结构,也就是说后存放的先取,先存放的后取。

引用百科的一句话来说,堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构,只能在一端(称为栈顶)对数据项进行插入(push)和删除(pop),因而按照后进先出的原理运作。


【内存中的堆和栈】

我们先看一张图

【C++基础 01】堆和栈的概念

内存中的堆区处于相对较低的地址以地址的增长方向为上的话,堆地址是向上增长的

内存中的栈区处于相对较高的地址以地址的增长方向为上的话,栈地址是向下增长的


 明白了概念后,我们来看一下:(下面所说均为内存中的堆栈,摘自百度百科


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 ,存放函数的参数名,局部变量的名等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区(heap)— 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。

 

下面我们来看一段代码

//main.cpp
int a = 0;     //全局初始化区 
char* p1;      //全局未初始化区
void 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);    //分配得来的10和20字节的区域就在堆区。
}

栈区的变量由编译器控制,分配空间和释放。

堆区的变量需要程序员自己申请和释放,比如

//c语言中: 
char* p1 = (char *)malloc(10*sizeof(char)); 
free(p1);
//对应在C++中: 
char* p=new char[128]; 
delete []p;


然后下面是堆和栈的一些比较:


申请响应

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。

申请限制

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。

效率比较

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,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活

存储内容

栈: 在函数调用时,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。堆中的具体内容由程序员安排。
存取比较

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,再根据edx读取字符,显然慢了。



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*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*度大。


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