C++堆栈问题

编写C++中的两个类 一个只能在栈中分配空间 一个只能在堆中分配。 

解答：

（1）代码如下

#include  
using namespace std;  
//只能在堆上分配内存  
class HeapOnly  
{  
public:  
    HeapOnly()  
    {  
        cout<<"Construct."<<endl;  
    }  
  
    void destory()  
    {  
        delete this;  
    }  
  
private:  
    ~HeapOnly()  
    {  
  
    }  
};  
  
//只能在栈上分配空间  
class StackOnly  
{  
public:  
    StackOnly()  
    {  
  
    }  
    ~StackOnly()  
    {  
  
    }  
  
private:  
    void* operator new(size_t size)   //将new操作符私有化，在外面无法调用  
    {  
  
    }  
};  
  
  
int main()  
{  
    HeapOnly *hO=new HeapOnly();  
  
    hO->destory();  
  
    //HeapOnly he; //编译错误：HeapOnly::~HeapOnly”: 无法访问 private 成员(在“HeapOnly”类中声明)，所以不能通过栈来分配这个对象的空间  
  
    StackOnly so;  
  
    //StackOnly *st=new StackOnly();  //StackOnly::operator new”: 无法访问 private 成员(在“StackOnly”类中声明)  
}

（2）堆栈分配内存的介绍

一、一个经过编译的C/C++的程序占用的内存分成以下几个部分：
1、栈区（stack）：由编译器自动分配和释放 ，存放函数的参数值、局部变量的值等，甚至函数的调用过程都是用栈来完成。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区（heap） ：一般由程序员手动申请以及释放， 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空间。
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空间。
5、程序代码区：存放函数体的二进制代码。

下面的例子可以完全展示不同的变量所占的内存区域：

//main.cpp
int a = 0; 全局初始化区
char *p1; 全局未初始化区
main(){   
int b; //栈中
char s[] = "abc"; //栈中
char *p2; //栈中
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

//以下分配得到的10和20字节的区域就在堆区
p1 = (char *)malloc(10);   
p2 = new char[20];//
(char *)malloc(20);strcpy(p1, "123456");
 //123456/0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

 

二、栈（stack）和堆（heap）具体的区别。

1、在申请方式上
栈（stack）: 现在很多人都称之为堆栈，这个时候实际上还是指的栈。它由编译器自动管理，无需我们手工控制。 例如，声明函数中的一个局部变量 int b 系统自动在栈中为b开辟空间；在调用一个函数时，系统自动的给函数的形参变量在栈中开辟空间。
堆（heap）: 申请和释放由程序员控制，并指明大小。容易产生memory leak。
在C中使用malloc函数。
如：p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new运算符。
如：p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
但是注意p1本身在全局区，而p2本身是在栈中的，只是它们指向的空间是在堆中。

2、申请后系统的响应上
栈（stack）: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（heap）: 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或free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。

3、申请大小的限制
栈（stack）: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。 例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。

堆（heap）: 堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域（空闲部分用链表串联起来）。正是由于系统是用链表来存储空闲内存，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

4、分配空间的效率上
栈（stack）:栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。但程序员无法对其进行控制。
堆（heap）:是C/C++函数库提供的，由new或malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片。它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。这样可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。显然，堆的效率比栈要低得多。

5、堆和栈中的存储内容
栈（stack）:在函数调用时，第一个进栈的是主函数中子函数调用后的下一条指令（子函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是子函数的各个形参。在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是子函数中的局部变量。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，也就是主函数中子函数调用完成的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆（heap）:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小，堆中的具体内容有程序员安排。

6、存取效率的比较
这个应该是显而易见的。拿栈上的数组和堆上的数组来说：

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];
}

上面代码中，arr1（局部变量）是在栈中，但是指向的空间确在堆上，两者的存取效率，当然是arr高。因为arr[1]可以直接访问，但是访问arr1[1]，首先要访问数组的起始地址arr1，然后才能访问到arr1[1]。

总而言之，言而总之：
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（声明变量）、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，但是自由度小。
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，而且自由度大。