C++堆内存和栈内存详解

出自：http://www.open-open.com/lib/view/open1371741339937.html

堆：顺序随意 
栈：先进后出 
堆和栈的区别 
一、预备知识 — 程序的内存分配 
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，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈 
2 、堆区（ heap ）  —  一般由程序员分配释放， 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，分配方式倒是类似于链表，呵呵。 
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。  -  程序结束后有系统释放 
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  
5 、程序代码区 — 存放函数体的二进制代码。 
二、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。  
} 
二、堆和栈的理论知识 
2.1 申请方式 
stack: 由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量  int b;  系统自动在栈中为 b 开辟空间 
heap: 需要程序员自己申请，并指明大小，在 c 中 malloc 函数如 p1 = (char *)malloc(10); 在 C++ 中用 new 运算符如 p2 = (char *)malloc(10); 但是注意 p1 、 p2 本身是在栈中的 
2.2 申请后系统的响应 
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。  
2.3 申请大小的限制 
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。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。 
2.4 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 .  另外，在 WINDOWS 下，最好的方式是用VirtualAlloc 分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活  
2.5 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。堆中的具体内容有程序员安排。  
2.6 存取效率的比较  
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
aaaaaaaaaaa 是在运行时刻赋值的；而 bbbbbbbbbbb 是在编译时就确定的；但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串 ( 例如堆 ) 快。  
比如： 
#include
void main()
{    
     char a = 1;     
     char c[] = "1234567890";     
     char *p ="1234567890";    
     a = c[1];     
     a = p[1];     
     return;     
} 
对应的汇编代码  
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 
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器 cl 中，而第二种则要先把指针值读到 edx 中，在根据 edx 读取字符，显然慢了。  
2.7 小结： 
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（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。 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。  
堆和栈的区别主要分：  
操作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第 1 个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。