堆(Heap)、栈(Stack)

前言

堆（Heap）、栈（Stack）在不同的场景下，代表不同的含义。

（1）程序内存布局场景下，堆（Heap）、栈（Stack）代表两种内存管理方式；

（2）数据结构场景下，堆（Heap）、栈（Stack）表示两种常用的数据结构；

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一、程序内存中的堆（Heap）、栈（Stack）

Code、Data、BSS——在编译时确定；保存基本代码和数据的区域。

BSS：保存未初始化的数据；

Data：保存初始化数据

1、堆（Heap）

堆(Heap)内存放的数据地址是不连续的；

堆(Heap)中的地址是由低到高的；

堆(Heap)由程序员分配和释放；如果没有被人工释放，程序结束时由OS回收；所以堆heap中存储的数据如果没有被释放，则其生命周期等同于程序的声明周期。

堆(Heap)由程序员使用内存分配函数（malloc 函数）来申请任意多少的内存，使用完之后再由程序员自己负责使用内存释放函数（ free 函数）来释放内存。

也就是说，动态内存的整个生存期是由程序员自己决定的。

频繁分配和释放（malloc / free）不同大小的堆Heap空间势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量碎片，导致程序效率降低

 

堆(Heap)上内存法分配过程：

• 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此链表，寻找第一个空间>所申请空间的堆heap节点
•   然后将该节点从空闲链表中删除
• 将该节点的空间分配给程序    

 注意：

（1）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语句才能正确释放本内存空间；

（2）找到的堆heap节点大小不一定正好=申请的大小，系统会自动地将多余的那部分重新放入空闲链表中。

2、栈（Stack）

栈（Stack）按分配方式分为两种：静态栈和动态栈；

• 静态栈：由编译器分配完成，比如局部变量
• 动态栈：由alloca()函数进行分配，由编译器进行释放。（alloca函数可移植性很差）

栈（Stack）内存中存放着函数的参数值、局部变量等；

栈（Stack）中存储的数据生命周期随着函数的执行完成而结束；

栈（Stack）内存地址是由高到低的；

 3、总结

堆Heap与栈Stack是操作系统对进程占用内存空间的两种管理方式，它们的区别主要如下：

（1）管理方式不同：栈Stack由系统自动分配释放，无需人工控制；堆Heap由程序员申请和释放，容易产生内存内存泄露；

（2）空间大小不同：每个进程拥有的栈Stack大小远远小于堆Heap的大小；程序员可申请的堆Heap大小为系统的虚拟内存大小；

（3）地址顺序不同：堆Heap内存地址由低到高，栈Stack内存地址由高到低；

（4）存放内容不同

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二、数据结构中的堆（Heap）、栈（Stack）

1、堆（Heap）

堆Heap是一种特殊的基于树的数据结构，它本质上是一个几乎完整的树，它满足堆属性。其中树是一颗完整的二叉树。

通常，堆Heap可以有两种类型：

• Max-Heap：存放在根结点的键必须是在其所有子节点的键中最大；
• Min-Heap：存放在根结点的键必须是在其所有子节点的键中最小；

注意：对于该二叉树中的所有子树，相同的属性必须递归为真。

堆的常见实现是二叉堆，其中树是二叉树。

 

2、栈（Stack）

栈（Stack）是一种先进后出的数据结构。

栈（Stack）分为：顺序栈、链式栈。

区别：顺序栈中的元素地址连续，链式栈中的元素地址不连续。

栈是一种线性结构，所以可以使用数组或链表（单向链表、双向链表或循环链表）作为底层数据结构。

使用数组实现的栈叫做顺序栈；使用链表实现的栈叫做链式栈。