C++堆棧問題

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編寫C++中的兩個類 一個只能在棧中分配空間 一個只能在堆中分配。 

解答： （1）代碼如下

#include<iostream>  using namespace std;  //只能在堆上分配記憶體  class HeapOnly  {  public:      HeapOnly()      {          cout<<"Construct."<<endl;      }        void destory()      {          delete this;      }    private:      ~HeapOnly()      {        }  };    //只能在棧上分配空間  class StackOnly  {  public:      StackOnly()      {        }      ~StackOnly()      {        }    private:      void* operator new(size_t size)   //將new操作符私人化，在外面無法調用      {        }  };      int main()  {      HeapOnly *hO=new HeapOnly();        hO->destory();        //HeapOnly he; //編譯錯誤：HeapOnly::~HeapOnly”: 無法訪問 private 成員(在“HeapOnly”類中聲明)，所以不能通過棧來分配這個對象的空間        StackOnly so;        //StackOnly *st=new StackOnly();  //StackOnly::operator new”: 無法訪問 private 成員(在“StackOnly”類中聲明)  }

（2）堆棧分配記憶體的介紹

一、一個經過編譯的C/C++的程式佔用的記憶體分成以下幾個部分：
1、棧區（stack）：由編譯器自動分配和釋放 ，存放函數的參數值、局部變數的值等，甚至函數的調用過程都是用棧來完成。其操作方式類似於資料結構中的棧。
2、堆區（heap） ：一般由程式員手動申請以及釋放， 若程式員不釋放，程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式類似於鏈表。
3、全域區（靜態區）（static）：全域變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，初始化的全域變數和靜態變數在一塊地區， 未初始化的全域變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊地區。程式結束後由系統釋放空間。
4、文字常量區：常量字串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放空間。
5、程式碼區：存放函數體的二進位代碼。

下面的例子可以完全展示不同的變數所佔的記憶體地區：

//main.cppint a = 0; 全域初始化區char *p1; 全域未初始化區main(){   int b; //棧中char s[] = "abc"; //棧中char *p2; //棧中char *p3 = "123456"; //123456/0在常量區，p3在棧上static int c =0； //全域（靜態）初始化區//以下分配得到的10和20位元組的地區就在堆區p1 = (char *)malloc(10);   p2 = new char[20];//(char *)malloc(20);strcpy(p1, "123456"); //123456/0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"最佳化成一個地方。}

 

二、棧（stack）和堆（heap）具體的區別。

1、在申請方式上
棧（stack）: 現在很多人都稱之為堆棧，這個時候實際上還是指的棧。它由編譯器自動管理，無需我們手工控制。 例如，聲明函數中的一個局部變數 int b 系統自動在棧中為b開闢空間；在調用一個函數時，系統自動的給函數的形參變數在棧中開闢空間。
堆（heap）: 申請和釋放由程式員控制，並指明大小。容易產生memory leak。
在C中使用malloc函數。
如：p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算子。
如：p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
但是注意p1本身在全域區，而p2本身是在棧中的，只是它們指向的空間是在堆中。

2、申請後系統的響應上
棧（stack）:只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢出。
堆（heap）: 首先應該知道作業系統有一個記錄空閑記憶體位址的鏈表，當系統收到程式的申請時， 會遍曆該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閑結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程式。另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete或free語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閑鏈表中。

3、申請大小的限制
棧（stack）:在Windows下,棧是向低地址擴充的資料結構，是一塊連續的記憶體的地區。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時間就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：開啟工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆棧的最大值和commit。
注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開闢較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。

堆（heap）: 堆是向高地址擴充的資料結構，是不連續的記憶體地區（空閑部分用鏈表串聯起來）。正是由於系統是用鏈表來儲存空閑記憶體，自然是不連續的，而鏈表的遍曆方向是由低地址向高地址。一般來講在32位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4、分配空間的效率上
棧（stack）:棧是機器系統提供的資料結構，電腦會在底層對棧提供支援：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。但程式員無法對其進行控制。
堆（heap）:是C/C++函數庫提供的，由new或malloc分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體片段。它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函數會按照一定的演算法（具體的演算法可以參考資料結構/作業系統）在堆記憶體中搜尋可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於記憶體片段太多），就有可能調用系統功能去增加程式資料區段的記憶體空間，這樣就有機會分到足夠大小的記憶體，然後進行返回。這樣可能引發使用者態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。顯然，堆的效率比棧要低得多。

5、堆和棧中的儲存內容
棧（stack）:在函數調用時，第一個進棧的是主函數中子函數調用後的下一條指令（子函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然後是子函數的各個形參。在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是子函數中的局部變數。注意：靜態變數是不入棧的。 當本次函數調用結束後，局部變數先出棧，然後是參數，最後棧頂指標指向最開始存的地址，也就是主函數中子函數調用完成的下一條指令，程式由該點繼續運行。
堆（heap）:一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小，堆中的具體內容有程式員安排。

6、存取效率的比較
這個應該是顯而易見的。拿棧上的數組和堆上的數組來說：

void main(){       int arr[5]={1,2,3,4,5};       int *arr1;       arr1=new int[5];       for (int j=0;j<=4;j++)   {   arr1[j]=j+6;   }      int a=arr[1];       int b=arr1[1];}

上面代碼中，arr1（局部變數）是在棧中，但是指向的空間確在堆上，兩者的存取效率，當然是arr高。因為arr[1]可以直接存取，但是訪問arr1[1]，首先要訪問數組的起始地址arr1，然後才能訪問到arr1[1]。

總而言之，言而總之：
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出：
使用棧就象我們去飯館裡吃飯，只管點菜（聲明變數）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

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