C++的程序内存分配方式：堆与栈及其区别

一、首先要区分数据结构中的堆、栈与内存中的堆、栈

1、数据结构中的堆与栈

        栈：是一种连续储存的数据结构，具有先进后出的性质。通常的操作有入栈（圧栈）、出栈和栈顶元素。想要读取栈中的某个元素，就要将其之前的所有元素出栈才能完成。类比现实中的箱子一样。

        堆：是一种非连续的树形储存数据结构，每个节点有一个值，整棵树是经过排序的。特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。常用来实现优先队列，存取随意。

2、内存中的栈区与堆区

        一般说到内存，指的是计算机的随机储存器（RAM），程序都在这里面运行。计算机内存的大致划分如下图所示：

        栈内存：由程序自动向操作系统申请分配以及回收，速度快，使用方便，但程序员无法控制。若分配失败，则提示栈溢出错误。注意，const局部变量也储存在栈区内，栈区向地址减小的方向增长。

        堆内存：程序员向操作系统申请一块内存，当系统收到程序的申请时，会遍历一个记录空闲内存地址的链表，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。分配的速度较慢，地址不连续，容易碎片化。此外，由程序员申请，同时也必须由程序员负责销毁，否则则导致内存泄露。

二、C++程序内存布局

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：       

        1、栈区（stack）：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量值等，其操作方法类似数据结构中的栈。

        2、堆区（heap）：一般由程序员分配释放，与数据结构中的堆毫无关系，分配方式类似于链表。

        3、全局/静态区（static）：全局变量和静态变量的存储是放在一起的，在程序编译时分配。

        4、文字常量区：存放常量字符串。

        5、程序代码区：存放函数体（类的成员函数、全局函数）的二进制代码

三、堆与栈的比较

         1、申请方式

            栈（stack）：系统自动分配，如声明int a;系统自动在栈空间中为a开辟空间

            堆（heap）：程序员申请，并指明大小，c中的malloc，如char*p=(char*)malloc(10);

                C++中的new运算符：如int*p2=new int(10);

            注意：p和p2本身是在栈中的，但他们指向的地址是堆空间

        2、系统响应

            栈：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：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、申请内存大小的限制

            栈：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。

            堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。由此可见，堆获得的空间受限于计算机系统中有效的虚拟内存，比较灵活，也比较大。

        4、申请效率的比较

            栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。   

            堆：是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.  

        5、申堆和栈中的存储内容

            栈：   在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。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，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。

            堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。

四、例子程序

  这是一个前辈写的，非常详细

  //main.cpp   
  int a = 0;   //全局初始化区   
  char *p1;    //全局未初始化区   
  main()   
  {   
      int  b;// 栈   
      char  s[] = "abc" ;   // 栈   
      char  *p2;   // 栈   
      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   
      p1 = (char *)malloc(10);   
      p2 = (char *)malloc(20); // 分配得来得10和20字节的区域就在堆区。   
      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。   
  } 

五、总结

        堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：

        1、使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、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。

       2、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。   (经典！) 

参考文章：

https://blog.csdn.net/chaseraod/article/details/74084082

https://www.cnblogs.com/willowcc1803/p/8635170.html