## 數據結構中的堆和棧 與 內存分配中的堆區和棧區 分析 在計算機領域，堆棧是一個不容忽視的概念，我們編寫的C/C++語言程序基本上都要用到。但對于非常多的初學著來說，堆棧是一個非常模糊的概念。 ### 數據結構的棧和堆 首先在數據結構上要知道堆棧，雖然我們這么稱呼它，但實際上堆棧是兩種數據結構：堆和棧。 堆和棧都是一種數據項按序排列的數據結構。 **棧就像裝數據的桶或箱子** 我們先從大家比較熟悉的棧說起吧。它是一種具有后進先出性質的數據結構，也就是說后存放的先取。先存放的后取。這就如同我們要取出放在箱子里面底下的東西（放入的比較早的物體），我們首先要移開壓在它上面的物體（放入的比較晚的物體）。 **堆像一棵倒過來的樹** 而堆就不同了。堆是一種經過排序的樹形數據結構。每一個結點都有一個值。 通常我們所說的堆的數據結構，是指二叉堆。堆的特點是根結點的值最小（或最大）。且根結點的兩個子樹也是一個堆。因為堆的這個特性，經常使用來實現優先隊列，堆的存取是隨意。這就如同我們在圖書館的書架上取書，盡管書的擺放是有順序的。可是我們想取隨意一本時不必像棧一樣，先取出前面全部的書。書架這樣的機制不同于箱子，我們能夠直接取出我們想要的書。 ### 內存分配中的棧和堆 內存中的棧區處于相對較高的地址以地址的增長方向為上的話，棧地址是向下增長的。棧中分配局部變量空間。堆區是向上增長的用于分配程序猿申請的內存空間。另外還有靜態 區是分配靜態變量，全局變量空間的；只讀區是分配常量和程序代碼空間的；以及其它一些分區。  ## 預備知識—程序的內存分配 一個由C/C++編譯的程序占用的內存分為下面幾個部分 1、棧區（stack）— 由編譯器自己主動分配釋放 。存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似于數據結構中的棧。 2、堆區（heap） — 一般由程序猿分配釋放。 若程序猿不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，呵呵。 3、全局區（靜態區）（static）—。全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的還有一塊區域。 - 程序結束后有系統釋放 4、文字常量區—常量字符串就是放在這里的。 程序結束后由系統釋放 5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。 ## 堆和棧的理論知識 ### 申請方式 stack：由系統自己主動分配。 比如。聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自己主動在棧中為b開辟空間 heap：須要程序猿自己申請。并指明大小，在c中malloc函數 ，如 ``` p1 = (char *)malloc(10); ``` 在C++中用new運算符，如 ``` p2 = (char *)malloc(10); ``` 可是注意p1、p2本身是在棧中的。 ### 申請后系統的響應 棧：僅僅要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。 堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空暇內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時， 會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空暇結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣。代碼中的delete語句才干正確的釋放本內存空間。 另外。因為找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小。系統會自己主動的將多余的那部分又一次放入空暇鏈表中。 ### 申請大小的限制 棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構。是一塊連續的內存的區域。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，總之是一個編譯時就確定的常數），假設申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。 堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是因為系統是用鏈表來存儲的空暇內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。 堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活。也比較大。 ### 申請效率的比較 棧由系統自己主動分配，速度較快。但程序猿是無法控制的。 堆是由new分配的內存，一般速度比較慢。并且easy產生內存碎片,只是用起來最方便. 另外。在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆。也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存。盡管用起來最不方便。可是速度快，也最靈活。 ### 堆和棧中的存儲內容 棧： 在函數調用時，第一個進棧的是主函數中后的下一條指令（函數調用語句的下一條可運行語句）的地址，然后是函數的各個參數。在大多數的C編譯器中。參數是由右往左入棧的，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。 當本次函數調用結束后，局部變量先出棧。然后是參數。最后棧頂指針指向最開始存的地址。也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續執行。 堆：通常是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。 堆中的詳細內容有程序猿安排。 ### 存取效率的比較 ``` char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; ``` aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的； 而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的。 可是，在以后的存取中。在棧上的數組比指針所指向的字符串(比如堆)快。 比方： ``` #include void main() { char a = 1; char c[] = "1234567890"; char *p ="1234567890"; a = c[1]; a = p[1]; return; } ``` 相應的匯編代碼 ``` 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符串中的元素讀到寄存器cl中，而另外一種則要先把指針值讀到edx中。在依據edx讀取字符，顯然慢了。 ### 小結 堆和棧的差別能夠用例如以下的比喻來看出： 使用棧就象我們去飯館里吃飯。僅僅管點菜（發出申請）、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，他的優點是快捷，可是自由度小。 使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴。比較麻煩。可是比較符合自己的口味，并且自由度大。