C++ 記憶體管理之三（棧和堆）

程式變數分區中棧和堆的區別

（1）申請方式
stack: 由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間。
heap: 需要程式員自己申請，並指明大小，在C中malloc函數，C++中是new運算子。
如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
但是注意p1、p2本身是在棧中的。

（2）申請後系統的響應
棧：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：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。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語句才能正確的釋放本記憶體空間。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：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。
堆：堆是向高地址擴充的資料結構，是不連續的記憶體地區。這是由於系統是用鏈表來儲存的空閑記憶體位址的，自然是不連續的，而鏈表的遍曆方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於電腦系統中有效虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

（4）申請效率的比較
棧由系統自動分配，速度較快。但程式員是無法控制的。
堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體片段,不過用起來最方便。

（5）堆和棧中的儲存內容
棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變數。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，也就是主函數中的下一條指令，程式由該點繼續運行。
堆：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
char s1[] = "a";
char *s2 = "b";
a是在運行時刻賦值的；而b是在編譯時間就確定的；但是，在以後的存取中，在棧上的數組比指標所指向的字串(例如堆)快。 比如：
　　int　main()
     {
　　char a = 1;
　　char c[] = "1234567890";
　　char *p ="1234567890";
　　a = c[1];
　　a = p[1];
　　return 0;
　　}
　　對應的彙編代碼
　　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
　　第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，再根據edx讀取字元，顯然慢了。

（7）小結
　　堆和棧的主要區別由以下幾點：
　　1、管理方式不同；
　　2、空間大小不同；
　　3、能否產生片段不同；
　　4、生長方向不同；
　　5、分配方式不同；
　　6、分配效率不同；
　　管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程式員控制，容易產生memory leak。
　　空間大小：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。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M。當然，這個值可以修改。
　　片段問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的片段，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考資料結構。
　　生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體位址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體位址減小的方向增長。
　　分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變數的分配。動態分配由malloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。
　　分配效率：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。堆則是C/C++函數庫提供的，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。顯然，堆的效率比棧要低得多。
　　從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的記憶體片段；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於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。所以棧在程式中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址， EBP和局部變數都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，還是用堆好一些。無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，產生以想不到的結果。