什么时候用堆，什么时候用栈？

浅浅的花香味﹌ 2022-09-23 03:46 185阅读 0赞

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参考文章：  
**《c++面试题之内存分配》见附录一：**  
  
  
一、首先，回顾一下c、c++的内存分配机制。  
 一个C、C++程序编译时内存分为5大存储区：  
堆区、栈区、静态区（全局区）、文字常量区（储存字符串常量）、程序代码区（存放二进制程序）  
下面主要阐述前面三个。  
（1）静态存储区域：  
静态存储区域的内存在程序编译时就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。速度快、不容易出错，因为有系统会善后。例如全局变量，static变量等。  
（2）栈：  
   
在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。  
（3）堆：  
   
动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活。如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，另外频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。  
  
  
二、下面来比较一下堆和栈的区别。  
堆和栈的主要区别由以下几点：  
  1、管理方式不同；  
  2、空间大小不同；  
  3、能否产生碎片不同；  
  4、生长方向不同；  
  5、分配方式不同；  
  6、分配效率不同；  
（1）管理方式  
对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生内存泄露。  
（2）空间大小：  
一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看 堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。当然，这个值可以修改。  
（3）碎片问题  
对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构。  
（4）生长方向  
对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。  
（5）分配方式  
堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的， 比如局部变量的分配。动态分配由malloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。  
（6）分配效率  
栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。  
  
  
本文总结：  
从上面的讨论我们可以看出：  
（1）与堆相比，栈不会导致内存碎片，分配效率高。  
所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址， EBP和局部变量都采用栈的方式存放。如果少量数据需要频繁的操作，那么在程序中动态申请少量栈内存（例如使用alloca函数），会获得很好的性能提升。  
（2）堆可以申请的内存大很多。  
与堆相比，栈的使用不是那么灵活，如果分配大量的内存空间，推荐使用堆内存。

很多人说，如果变量要使用的内存长度不确定的时候，就是使用malloc或者new等申请动态内存。  
但是这是不正确的，从上面的讨论可以看出，在栈上也可以为长度不确定的变量动态申请内存。  
  
  
不过在栈上动态申请内存需要注意一些问题。详细的内容请参考下面的文章。  
**《alloca——可以在栈中动态分配内存的函数》见附录二：**

**附录一：**

1：c中的malloc和c＋＋中的new有什么区别  
malloc和new有以下不同：  
（1）new、delete 是操作符，可以重载，只能在C++中使用。  
（2）malloc、free是函数，可以覆盖，C、C++中都可以使用。  
（3）new 可以调用对象的构造函数，对应的delete调用相应的析构函数。  
（4）malloc仅仅分配内存，free仅仅回收内存，并不执行构造和析构函数  
（5）new、delete返回的是某种数据类型指针，malloc、free返回的是void指针。  
 注意：malloc申请的内存空间要用free释放，而new申请的内存空间要用delete释放，不要混用。因为两者实现的机理不同。  
2.简述c、c++程序编译的内存分配情况  
C、C++中内存分配方式可以分为三种：  
（1）从静态存储区域分配：  
   内存在程序编译时就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。速度快、不容易出错，因为有系统会善后。例如全局变量，static变量等。  
（2）在栈上分配：  
  在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。  
（3）从堆上分配：  
  即动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由程序员决定，使用非常灵活。如果在堆上分配了空间，就有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，另外频繁地分配和释放不同大小的堆空间将会产生堆内碎块。  
  一个C、C++程序编译时内存分为5大存储区：堆区、栈区、全局区、文字常量区、程序代码区。  
3.简述strcpy、sprintf与memcpy的区别  
三者主要有以下不同之处：  
（1）操作对象不同，strcpy的两个操作对象均为字符串，sprintf的操作源对象可以是多种数据类型，目的操作对象是字符串，memcpy 的两个对象就是两个任意可操作的内存地址，并不限于何种数据类型。  
（2）执行效率不同，memcpy最高，strcpy次之，sprintf的效率最低。  
（3）实现功能不同，strcpy主要实现字符串变量间的拷贝，sprintf主要实现其他数据类型格式到字符串的转化，memcpy主要是内存块间的拷贝。  
  说明：strcpy、sprintf与memcpy都可以实现拷贝的功能，但是针对的对象不同，根据实际需求，来选择合适的函数实现拷贝功能。  
4.堆与栈的比较  
  （1）申请方式  
   stack（栈）：由系统分配，例如声明在函数中一个局部变量 int b;  
   heap （堆）：需要程序员自己申请并指明大小，如 malloc和new  
  （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。  
  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。  
  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。  
 （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，也不是栈，而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。  
 （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。  
 （6）存取效率的比较  
  char s1\[\] = "a";  
  char \*s2 = "b";  
  a是在运行时刻赋值的；而b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：  
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 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，再根据edx读取字符，显然慢了。  
  
  
5.堆和栈的主要区别小结  
堆和栈的主要区别由以下几点：  
  1、管理方式不同；  
  2、空间大小不同；  
  3、能否产生碎片不同；  
  4、生长方向不同；  
  5、分配方式不同；  
  6、分配效率不同；  
  管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来 说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。  
  空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看 堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。当然，这个值可以修改。  
  碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问 题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详 细的可以参考数据结构。  
  生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着 内存地址减小的方向增长。  
  分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的， 比如局部变量的分配。动态分配由malloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。  
  分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率 比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在 堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会 分 到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。  
从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用， 容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最 广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址， EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。  
虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有 时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。  
  无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩 溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果。

**附录2：**

今天看到一个很有意思的函数——alloca，可以从栈里动态分配内存，讲讲我对它的理解吧：  
  
作用：  
  
这个函数的作用是可以从栈里动态分配内存，如果函数A中的某个局部变量在定义时并不知道它有多大，那么就可以将需要使用的空间大小通过函数A的某个参数传递进来，在函数A内部使用alloca分配一块栈内存，alloca函数返回的是这块内存的首指针；不用担心内存泄露问题，因为在函数A返回时，通过alloca申请的内存就会被自动释放掉。  
  
优点：  
这个函数的优点其实很明显：  
1、有了这个函数，如何定义某个不确定大小的局部变量就变成了简单的问题。其实关于这点，使用malloc函数也可实现，只不过需要程序员自己释放不需要使用的内存，否则就内存泄露啦^\_^  
  
2、程序员只需要分配空间，释放空间的事情由alloca函数提供的机制来完成  
  
缺点：  
1、如果alloca函数导致栈溢出，程序的行为就undefined了，就是不确定、不可控了，很危险的一个bug  
  
2、可移植性很差，对编译器和平台有很强的依赖性，在很多系统上的实现是有bug的，所以并不鼓励使用。32v、pwb、pwb.2、3bsd、4bsd支持这个函数的实现，Linux使用的是GUN版本，在POSIX和SUSv3系统上是不支持该函数的  
  
需要注意的是，很多系统上，alloca函数分配的内存不能被当做某个函数F的参数使用，因为分配到的内存块会被当做参数保存在函数F的栈中。还有在GNU版本下，alloca函数还有一些需要注意的地方，没看懂。。。  
  
虽然alloca函数不被推荐使用，但是在Linux系统上，alloca函数却是一个非常好的用但没有被人们认识到的工具，它表现的异常出色（在各种架构下，通过alloca分配内存就和增加栈指针一样简单），比malloc的性能要好很多，因为它的申请、释放效率很高。对于Linux下较小内存的分配，alloca能收获让人激动的性能

**附录3：**

**C语言中的malloc/free与C++中的new/delete的区别**

（1）**new、delete 是操作符**，可以重载，只能在C++中使用。  
（2）**malloc、free是函数**，可以覆盖，C、C++中都可以使用。  
（3）new 可以调用对象的构造函数，对应的delete调用相应的析构函数。  
（4）malloc仅仅分配内存，free仅仅回收内存，并不执行构造和析构函数  
（5）new、delete返回的是某种数据类型指针，malloc、free返回的是void指针。

注意：malloc申请的内存空间要用free释放，而new申请的内存空间要用delete释放，不要混用。因为两者实现的机理不同。

[Link 1]: http://blog.csdn.net/fish43237/article/details/42749785