操作系统中堆和栈详解

古城微笑少年丶 2022-08-06 03:24 184阅读 0赞

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# 一、程序的内存分配 #

对于一个由C/C++编译的程序，其所占用的内存可以划分为以下几个部分：

1.  **栈区（stack）**—— 由操作系统自动分配和释放，主要用于存放函数参数值，局部变量等。其操作方式类似于数据结构中的栈。 
2.  **堆区（heap）**—— 一般由程序员动态分配和释放，若程序员不主动释放，则程序结束后由操作系统回收。注意，它与数据结构中的堆是不同的，分配方式类似于链表。 
3.  **BSS段**——主要用于存放未初始化的静态变量和全局变量，可读写，它在程序结束后由操作系统进行释放。
4.  **数据段（data）**——主要用于存放已初始化的静态变量和全局变量，可读写，它在程序结束后由操作系统释放。
5.  **代码段（text）**——主要用于保存程序代码，包括CPU执行的机器指令，同时全局常量也是保存在代码段的，如字符串字面值。

# 二、程序实例 #

/main.cpp
    int a = 0;                       // 全局初始化区域
    char *p1;                        // 全局未初始化区域
    int main(){
        int b;                       // 栈
        char s[] = "adoryn";         // 栈
        char *p2;                    // 栈
        char *p3 = "zhaobryant";     // 字符串字面量存放在常量区，p3存放在栈上
        static int c = 0;            // 全局（静态）初始化区域
        p1 = (char *)malloc(10);
        p2 = (char *)malloc(20);     // 分配获得的10和20字节的内存区放在堆区
        strcpy(p1, "zhaobryant");    // 字符串字面量存放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"zhaobryant"优化为同一个地址
        return 0;
    }

# 三、堆和栈的理论知识 #

## 1. 申请方式对比 ##

**栈stack：**

由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量，即*int b*，系统自动在栈中为变量b开辟空间。

**堆heap：**

需要程序员自己申请，并指明大小。

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\[10\]*

但是p1、p2本身是在栈中的。

## 2. 申请后系统响应 ##

**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，否则将返回异常提示栈溢出。

**堆heap：**

首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存块节点的链表，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内存块节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节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内存空间。另外，由于找到的空闲内存块节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。也就是说，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，将提示内存溢出。因此，能从栈获得的空间较小。

**堆heap：**

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。

## 4. 申请效率对比 ##

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/malloc进行内存分配，一般速度比较慢，且容易产生内存碎片，不过用起来最方便，速度快，也最灵活。

## 5. 存储内容对比 ##

**栈stack：**

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，堆中的具体内容由程序员安排。

## 6. 存取效率对比 ##

对比两段代码：

*char s1\[\] = "aaaaaaaaaaaaaaa";*

*char \*s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; *

如上，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快。

例如：

#include ...
    int main(){
        char a = 1;
        char c[] = "1234567890";
        char *p = "1234567890";
        a = c[1];
        a = p[1];
        return 0;
    }

对应的汇编代码：

10: a = c[1];
    00401067 8A 4D F1 mov c1, byte ptr [ebp-0Fh]
    0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4], c1
    11: a = p[1];
    0040106D 8B 55 EC mov edx, dword ptr [ebp-14h]
    0040106D 8A 42 01 mov a1, byte ptr [edx+1]
    00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4], a1

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，再根据edx读取字符，显然慢了。

## 7. 小结 ##

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：

*  使用栈就像我们去饭馆里吃饭，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，其好处是快捷简单，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。