栈和堆

摘抄自： http://www.cnblogs.com/vamei 

当程序文件运行为进程的时候，进程在内存中得到空间(进程自己的小房间)。每个进程空间按照如下方式分为不同区域:

                    内存空间

Text区域用来储存指令(instruction)，来告诉程序每一步的操作。Global Data用于存放全局变量，stack用于存放局部变量，heap用于存放动态变量 (dynamic variable. 程序利用malloc系统调用，直接从内存中为dynamic variable开辟空间)。Text和Global data在进程一开始的时候就确定了，并在整个进程中保持固定大小。

 

Stack(栈)以stack frame为单位。当程序调用函数的时候，比如main()函数中调用inner()函数，stack会向下增长一个stack frame。Stack frame中存储该函数的参数和局部变量，以及该函数的返回地址(return address)。此时，计算机将控制权从main()转移到inner()，inner()函数处于激活(active)状态。位于Stack最下方的frame和Global Data就构成了当前的环境(context)。激活函数可以从中调用需要的变量。典型的编程语言都只允许你使用位于stack最下方的frame ，而不允许你调用其它的frame (这也符合stack结构“先进后出”的特征。但也有一些语言允许你调用stack的其它部分，相当于允许你在运行inner()函数的时候调用main()中声明的局部变量，比如Pascal)。当函数又进一步调用另一个函数的时候，一个新的frame会继续增加到stack下方，控制权转移到新的函数中。当激活函数返回的时候，会从stack中弹出(pop，就是读取并删除)该frame，并根据frame中记录的返回地址，将控制权交给返回地址所指向的指令(比如从inner()函数中返回，继续执行main()中赋值给main2的操作)。

下图是stack在运行过程中的变化，箭头表示stack增长的方向，每个方块代表一个stack frame。开始的时候我们有一个为main()服务的frame，随着调用inner()，我们为inner()增加一个frame。在inner()返回时，我们再次只有main()的frame，直到最后main()返回，其返回地址为空，所以进程结束。

                                                           stack变化

在进程运行的过程中，通过调用和返回函数，控制权不断在函数间转移。进程可以在调用函数的时候，原函数的stack frame中保存有在我们离开时的状态，并为新的函数开辟所需的stack frame空间。在调用函数返回时，该函数的stack frame所占据的空间随着stack frame的弹出而清空。进程再次回到原函数的stack frame中保存的状态，并根据返回地址所指向的指令继续执行。上面过程不断继续，stack不断增长或减小，直到main()返回的时候，stack完全清空，进程结束。

 

 当程序中使用malloc的时候，heap(堆)会向上增长，其增长的部分就成为malloc从内存中分配的空间。malloc开辟的空间会一直存在，直到我们用free系统调用来释放，或者进程结束。一个经典的错误是内存泄漏(memory leakage), 就是指我们没有释放不再使用的heap空间，导致heap不断增长，而内存可用空间不断减少。

由于stack和heap的大小则会随着进程的运行增大或者变小，当stack和heap增长到两者相遇时候，也就是内存空间图中的蓝色区域(unused area)完全消失的时候，进程会出现栈溢出(stack overflow)的错误，导致进程终止。在现代计算机中，内核一般都会为进程分配足够多的蓝色区域，如果我们即时清理的话，stack overflow是可以避免的。但是，在进行一些矩阵运算的时候，由于所需的内存很大，依然可能出现stack overflow的情况。一种解决方式是增大内核分配给每个进程的内存空间。如果依然不能解决问题的话，我们就需要增加物理内存。

堆和栈的区别：


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   =   new   char[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块内存，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。堆中的具体内容由程序员安排。    
   
  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。   

  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。   (经典！)