C語言之棧和堆（Stack && Heap）的優缺點及其使用區別_C 語言

一、前言

     直到現在，我們已經知道了我們如何聲明常量類型，例如int,double,等等，還有複雜的例如數組和結構體等。我們聲明他們有各種語言的文法，例如Matlab，Python等等。在C語言中，把這些變數放在棧記憶體中。

二、基礎

     1、棧

          什麼是棧，它是你的電腦記憶體的一個特別地區，它用來儲存被每一個function（包括mian（）方法）建立的臨時變數。棧是FILO，就是先進後出原則的結構體，它密切的被CPU管理和充分利用。每次function聲明一個新的變數，它就會被“推”到棧中。然後每次一個function退出時，所有關於這個函數中定義的變數都會被釋放（換句話說就是刪除）。一旦棧中的變數釋放，這塊地區就會變成可用的，提供給其他棧中的變數。

     用棧儲存變數的好處是，記憶體是被你管理的。你不用手動的建立記憶體，不用當你不在需要它的時候手動釋放記憶體。另外，由於CPU組織棧記憶體很高效。讀出和寫入棧變數是很快的。

     理解棧的關鍵是理解概念，當一個function退出時，所有它的變數都會從棧中彈出,以後都會永遠消失。因此棧中的變數本質是局部的。這和我們原來理解為變數範圍或者本地或者全域變數是相關的。在C中，一個公用的bug 是從你程式中的一個function外嘗試訪問一個在棧中的這個function的變數（在該function已經退出後）。
    

關於棧的另一個特點我們應該記住，就是儲存再棧中的變數的大小有限制。而堆上建立變數不用考慮。
    

總結棧：
      a、棧的生長和伸縮就是函數壓入或者推出局部變數。
      b、我們不用自己去管理記憶體，變數建立和釋放都是自動的。
      c、棧中的變數只有在函數建立運行時存在。
    

2、 堆
         

堆也是我們的電腦記憶體中的一個地區，但是他不是自動管理的。而且也不是被CPU密切的管理著。它是一片更加自由的記憶體地區（很大）。要想在堆上建立記憶體，我們必須使用malloc() 或者calloc（），他們都是C語言編譯的。一旦你在堆上分配記憶體，當你不在需要的時候你必須用free()去銷毀。如果你不銷毀或者銷毀失敗，你的程式就會有記憶體泄露。換句話說就是堆記憶體會一直在，其他進程無法使用。我們將會再調試部分看到，那裡有一個叫做Valgrind的東西，它可以協助你發現記憶體泄露。
    

不像棧，堆沒有變數大小的限制（除了你電腦的物理限制條件外）。堆記憶體讀出和寫入都比較慢，因為它必須使用指標圖訪問堆記憶體。我們將會下面講解指標。
   

3、棧和堆的優缺點
    

棧：
          a、快速存取。
          b、沒有必要明確的建立分類變數，因為它是自動管理的。
          c、空間被CPU高效地管理著，記憶體不會變成片段。
          d、只有局部變數
          e、受限於棧大小(取決於作業系統)
          f、變數不能調整大小。
        堆：
          a、變數可以被全域訪問
          b、沒有記憶體大小限制
          c、（相對）訪問比較慢
          d、沒有高效地使用空間，隨著塊記憶體的建立和銷毀，記憶體可能會變成片段。
          e、你必須管理記憶體（變數的建立和銷毀你必須要負責）
          f、變數大小可以用realloc( )調整
例如：    
          下面是一個在棧上建立變數的短程式。和我們看到的其他程式類似

 #include <stdio.h> double multiplyByTwo (double input) { double twice = input * 2.0; return twice; } int main(int argc, const char * argv[]) { int age = 30; double salary = 12345.67; double myList[3] = {1.2,2.3,3.4}; printf("double your salary is %.3f\n",multiplyByTwo(salary)); return 0; }

　　
 運行結果如下： double your salary is 24691.340
    

在第7，8和9行,我們聲明了三個變數：一個int變數、一個double變數和一個包含三個包含double的數組。這三個變數在main（）函數建立，被壓入棧中。當main（）函數退出（程式退出），這些變數就會出棧。同樣地，在multiplyByTwo函數中，第二個double變數，也會在multiplyByTwo（）函數建立的時候壓入棧中。一旦函數退出，第二個變數就會出棧，永遠地消失。
    

備忘：有一種方法可以告訴C保持一個棧變數。即使它的建立函數退出。那就是用static關鍵字當聲明變數的時候。一個變數用static關鍵之聲明，因此就會變成一個類似與全域變數的東西。但是它僅僅在建立它的函數裡面可見。這是一個奇怪的東西，除非你在一個非常特殊的情況下需要。
    

下面是另一個版本的建立變數在堆上而不是在棧上：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h> double *multiplyByTwo (double *input) { double *twice = malloc(sizeof(double)); *twice = *input *2.0; return twice;}int main(int argc, const char * argv[]) { int *age = malloc(sizeof(int)); *age = 30; double *salary = malloc(sizeof(double)); *salary = 12345.67; double *myList = malloc(3 * sizeof(double)); myList[0] = 1.2; myList[1] = 3.4; myList[2] = 4.5; double *twiceSalary = multiplyByTwo(salary);  printf("double your salary is %.3f\n",*twiceSalary);  free(age); free(salary); free(myList); free(twiceSalary);  return 0;}

　　
正如你所看到的，我們用malloc（）去分配堆記憶體，用free()去釋放它。這樣不是很大的處理，但是很笨重。還有一件要注意的事情是：這樣會由很多*號。這些是指標。malloc()（calloc()和free（））函數處理的是指標而不是真正的數值。我們將會在下邊討論指標。指標在C棧是一個特殊的資料類型，它用來儲存記憶體的地址而不是儲存實際的values.因此在

*twice = *input *2.0;

　　
這行，twice變數不是一個double，而是一個指向double的指標，是double被儲存再記憶體中的地址。

4、什麼時候使用堆
    

       我們應該什麼時候使用堆和棧呢？如果我們需要分配一大塊記憶體（例如一個很大的數組或者一個很大的結構體），而且我們需要保持這個變數很長時間（例如全域變數）。我們應該分配堆記憶體。如果你處理的很小的變數，而且只要再函數使用的時候存活，那麼你應該使用棧，它比較方便而且快捷。如果你需要類似與數組或者結構體的變數，而且能夠動態改變大小（例如一個數組可以根據需要添加資料或者刪除資料），那麼你可以用malloc(),realloc（)給他們分配堆記憶體，用free()手動的管理記憶體。當我們討論完指標，我們將會討論動態分配資料結構體。

通過以上對棧和堆的介紹，希望對大家瞭解和區分棧和堆有所協助。