堆棧內(nèi)存和堆內(nèi)存之間的區(qū)別

編寫(xiě)有效的代碼需要了解堆棧和堆內(nèi)存，這使其成為學(xué)習(xí)編程的重要組成部分。不僅如此，新程序員或職場(chǎng)老手都應(yīng)該完全熟悉堆棧內(nèi)存和堆內(nèi)存之間的區(qū)別，以便編寫(xiě)有效且優(yōu)化的代碼。

這篇博文將對(duì)這兩種內(nèi)存分配技術(shù)進(jìn)行全面的比較。通過(guò)本文的結(jié)論，我們將對(duì)堆棧和堆內(nèi)存有一個(gè)透徹的了解，從而使我們能夠在編程工作中有效地使用它們。

對(duì)比理解堆棧與堆的結(jié)構(gòu)！

內(nèi)存分配

內(nèi)存是計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ)。它提供了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序高效運(yùn)行所需的所有命令的空間。分配內(nèi)存可以與在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中為特定目的指定特定區(qū)域進(jìn)行比較，例如容納對(duì)程序功能至關(guān)重要的變量或?qū)ο?。程序的?nèi)存布局和組織可能會(huì)根據(jù)所使用的操作系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)而有所不同。然而，一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)存可以分為以下幾個(gè)部分：

全局段（Global segment）

代碼段（Code segment）

堆棧（Stack）

堆（Heap）

全局段，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)全局變量和靜態(tài)變量，這些變量的生命周期等于程序執(zhí)行的整個(gè)持續(xù)時(shí)間。

代碼段，也稱(chēng)為文本段，包含組成我們程序的實(shí)際機(jī)器代碼或指令，包括函數(shù)和方法。

堆棧段，用于管理局部變量、函數(shù)參數(shù)和控制信息（例如返回地址）。

堆段，提供了一個(gè)靈活的區(qū)域來(lái)存儲(chǔ)大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和具有動(dòng)態(tài)生命周期的對(duì)象。堆內(nèi)存可以在程序執(zhí)行期間分配或釋放。

注意：值得注意的是，內(nèi)存分配上下文中的堆棧和堆不應(yīng)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)堆棧和堆混淆，它們具有不同的用途和功能。

四個(gè)內(nèi)存段（全局、代碼、堆棧和堆）的概述，說(shuō)明了堆向下增長(zhǎng)和堆棧向上增長(zhǎng)的常規(guī)表示

每個(gè)程序都有自己的虛擬內(nèi)存布局，由操作系統(tǒng)映射到物理內(nèi)存。每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的具體分配取決于多種因素，例如：

程序代碼的大小。

全局變量的數(shù)量和大小。

程序所需的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配量。

程序使用的調(diào)用堆棧的大小。

在任何函數(shù)外部聲明的全局變量都將駐留在全局段中。程序功能和方法的機(jī)器代碼或指令將存儲(chǔ)在代碼段中。讓我們看一下編碼示例，以幫助可視化全局和代碼段在內(nèi)存中的使用方式：

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public class Main {
    // Global Segment：全局變量存放在這里
    static int globalVar = 42;
    
    // 代碼段：這里存放函數(shù)和方法
    public static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 代碼段：調(diào)用add函數(shù)
        int sum = add(globalVar, 10);
        
        System.out.println("Sum: " + sum);
    }
}

?

Java 中的全局和代碼段

globalVar在這些代碼示例中，我們有一個(gè)值為 的全局變量42，它存儲(chǔ)在全局段中。我們還有一個(gè)函數(shù)add，它接受兩個(gè)整數(shù)參數(shù)并返回它們sum；該函數(shù)存儲(chǔ)在代碼段中。該main函數(shù)（或 Python 中的腳本）調(diào)用該add函數(shù)，傳遞全局變量和另一個(gè)整數(shù)值10作為參數(shù)。

代碼中的全局和代碼段（未顯示堆和堆棧段）

需要強(qiáng)調(diào)的是，管理堆棧和堆段對(duì)于代碼的性能和效率起著重要作用，使其成為編程的一個(gè)重要方面。因此，程序員在深入研究它們的差異之前應(yīng)該充分理解它們。

棧內(nèi)存：有序存儲(chǔ)

將堆棧內(nèi)存視為有組織且高效的存儲(chǔ)單元。它使用后進(jìn)先出 (LIFO) 方法，這意味著最近添加的數(shù)據(jù)將首先被刪除。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心組件，自動(dòng)管理堆棧內(nèi)存；我們不必?fù)?dān)心分配和釋放內(nèi)存。當(dāng)我們的程序運(yùn)行時(shí)，它會(huì)自行處理。

下面不同編程語(yǔ)言的代碼實(shí)例演示了堆棧在各種情況下的使用。

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public class StackExample {

    // 一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)添加兩個(gè)數(shù)字
    public static int add(int a, int b) {
        // 局部變量（存儲(chǔ)在棧中）
        int sum = a + b;
        return sum;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //  局部變量（存儲(chǔ)在棧中）
        int x = 5;

        // 函數(shù)調(diào)用（存儲(chǔ)在堆棧中）
        int result = add(x, 10);

        System.out.println("Result: " + result);
    }
}

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Java 中的堆棧內(nèi)存使用：演示局部變量和函數(shù)調(diào)用

調(diào)用函數(shù)時(shí)會(huì)創(chuàng)建稱(chēng)為堆棧幀的內(nèi)存塊。堆棧幀存儲(chǔ)與局部變量、參數(shù)和函數(shù)的返回地址相關(guān)的信息。該內(nèi)存是在堆棧段上創(chuàng)建的。

在上面的代碼實(shí)例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為 的函數(shù)add。該函數(shù)采用兩個(gè)參數(shù)作為輸入整數(shù)并返回它們的sum. 在函數(shù)內(nèi)部add，我們創(chuàng)建了一個(gè)局部變量調(diào)用sum來(lái)存儲(chǔ)結(jié)果。該變量存儲(chǔ)在堆棧內(nèi)存中。

在main函數(shù)（或 Python 的頂級(jí)腳本）中，我們創(chuàng)建另一個(gè)局部變量x并為其分配值5。該變量也存儲(chǔ)在堆棧內(nèi)存中。x然后，我們以和作為參數(shù)調(diào)用 add 函數(shù)10。函數(shù)調(diào)用及其參數(shù)和返回地址都放置在堆棧中。一旦add函數(shù)返回，堆棧就會(huì)被彈出，刪除函數(shù)調(diào)用和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，我們可以打印結(jié)果。

在下面的解釋中，我們將介紹運(yùn)行每行重要代碼后堆和堆棧如何變化。盡管我們用的的是 C++，但對(duì) Python 和 Java 的解釋也同樣適用。我們?cè)谶@里只討論堆棧段。

堆棧段為空

1共 9 個(gè)

為主函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀

2共 9 個(gè)

在 main 函數(shù)的堆棧幀中，局部變量 x 現(xiàn)在的值為 5

3共 9 個(gè)

調(diào)用 add 函數(shù)，實(shí)際參數(shù)為 (5, 10)

4共 9 個(gè)

控制權(quán)轉(zhuǎn)移到 add 函數(shù)，為 add 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀，其中包含局部變量 a、b 和 sum

5共 9 個(gè)

add 函數(shù)的堆棧幀上的 sum 變量被分配 a + b 的結(jié)果

6共 9 個(gè)

add 函數(shù)完成其任務(wù)并且其堆棧幀被銷(xiāo)毀

7共 9 個(gè)

具有可變結(jié)果的主函數(shù)的堆棧幀存儲(chǔ)從 add 函數(shù)返回的值

8共 9 個(gè)

在顯示結(jié)果值（此處未顯示）后，主功能塊也被銷(xiāo)毀，并且堆棧段再次為空

9共9 個(gè)

以下是 C++ 代碼按執(zhí)行順序的解釋?zhuān)?/p>

第 10 行：程序從該main函數(shù)開(kāi)始，并為其創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀。

第 12 行：局部變量x被賦值為5。

第 15 行：add使用參數(shù)x和調(diào)用該函數(shù)10。

第 4 行：為該函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀add?？刂茩?quán)轉(zhuǎn)移到add帶有局部變量的函數(shù)。a、b、 和sum。變量a和分別被賦予和b的值。x10

第 6 行：局部變量sum被賦值為a + b（即 5 + 10）。

第 7 行：變量sum的值（即 15）被返回給調(diào)用者。

第 8 行：add從堆棧中彈出函數(shù)的堆棧幀，并釋放所有局部變量（、和a）?b。sum

第15行：result函數(shù)堆棧幀上的局部變量main被賦予返回值（即15）。

第 17 行：存儲(chǔ)在變量中的值result（即 15）使用 打印到控制臺(tái)std::cout。

第 19 行：函數(shù)main返回 0，表示執(zhí)行成功。

第 20 行：函數(shù)main的堆棧幀從堆棧中彈出，并且所有局部變量 (x和result) 都被釋放。

堆棧存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)

以下是有關(guān)堆棧內(nèi)存需要考慮的一些關(guān)鍵方面：

固定大小：當(dāng)涉及到堆棧內(nèi)存時(shí)，其大小保持固定，并在程序執(zhí)行開(kāi)始時(shí)確定。

速度優(yōu)勢(shì)：堆棧內(nèi)存幀是連續(xù)的。因此，在堆棧內(nèi)存中分配和釋放內(nèi)存的速度非?？臁＿@是通過(guò)操作系統(tǒng)管理的堆棧指針對(duì)引用進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整來(lái)完成的。

控制信息和變量的存儲(chǔ)：堆棧內(nèi)存負(fù)責(zé)容納控制信息、局部變量和函數(shù)參數(shù)，包括返回地址。

有限的可訪問(wèn)性：請(qǐng)務(wù)必記住，存儲(chǔ)在堆棧內(nèi)存中的數(shù)據(jù)只能在活動(dòng)函數(shù)調(diào)用期間訪問(wèn)。

自動(dòng)管理：堆棧內(nèi)存的高效管理由系統(tǒng)本身完成，不需要我們額外的工作。

堆內(nèi)存：動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)

堆內(nèi)存，也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)內(nèi)存，是內(nèi)存分配的野孩子。程序員必須手動(dòng)管理它。堆內(nèi)存允許我們?cè)诔绦驁?zhí)行期間隨時(shí)分配和釋放內(nèi)存。它非常適合存儲(chǔ)大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或大小事先未知的對(duì)象。

下面不同編程語(yǔ)言的代碼實(shí)例演示了堆的使用。

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public class HeapExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 棧：局部變量“value”存儲(chǔ)在 棧中
        int value = 42;

        // 堆：為堆上的單個(gè) Integer 分配內(nèi)存
        Integer ptr = new Integer(value);

        // 將值分配給分配的內(nèi)存并打印它
        System.out.println("Value: " + ptr);

        // 在Java中，垃圾收集是自動(dòng)的，因此不需要 釋放內(nèi)存
      
    }
}

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演示 Java 中的堆內(nèi)存分配和使用

在這些代碼示例中，目標(biāo)是將值存儲(chǔ)42在堆內(nèi)存中，這是一個(gè)更永久、更靈活的存儲(chǔ)空間。這是通過(guò)使用駐留在堆棧內(nèi)存中的指針或引用變量來(lái)完成的：

int* ptr在C++中。

Java 中的一個(gè)Integer對(duì)象ptr。

ptrPython 中包含單個(gè)元素的列表。

然后打印存儲(chǔ)在堆上的值。在C++中，需要使用delete關(guān)鍵字手動(dòng)釋放堆上分配的內(nèi)存。然而，Python 和 Java 通過(guò)垃圾收集自動(dòng)管理內(nèi)存釋放，無(wú)需手動(dòng)干預(yù)。

注意：在 Java 和 Python 中，垃圾收集會(huì)自動(dòng)處理內(nèi)存釋放，無(wú)需手動(dòng)釋放內(nèi)存，如 C++ 中所示。

在下面的解釋中，我們將討論運(yùn)行每行重要代碼后堆和堆棧如何變化。盡管我們關(guān)注的是 C++，但該解釋也適用于 Python 和 Java。我們?cè)谶@里只討論堆棧和堆段。

棧段和堆段為空

1共 7 個(gè)

為主函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀

2共 7 個(gè)

局部變量值被賦予值 42

3共 7 個(gè)

在堆上分配了一個(gè)指針變量ptr，指針ptr中存放的是分配的堆內(nèi)存的地址（即0x1000）

4共 7 個(gè)

value變量中存儲(chǔ)的值（即42）被賦值給ptr指向的內(nèi)存位置（堆地址0x1000）

5共 7 個(gè)

堆上地址 0x1000 處分配的內(nèi)存被釋放

6共 7 個(gè)

main函數(shù)的棧幀從棧中彈出（顯示result的值后），棧段和堆段再次清空

7共7 個(gè)

以下是 C++ 代碼按執(zhí)行順序的解釋?zhuān)?/p>

第 3 行：main調(diào)用該函數(shù)，并為其創(chuàng)建一個(gè)新的堆棧幀。

第 5 行：堆棧幀上的局部變量value被賦值為42。

第 8 行：ptr使用關(guān)鍵字為堆上的單個(gè)整數(shù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的內(nèi)存分配給指針變量new。我們假設(shè)堆上新內(nèi)存的地址為 0x1000。分配的堆內(nèi)存的地址（0x1000）存儲(chǔ)在指針中。ptr。

第 11 行：將整數(shù)值42分配給ptr（堆地址 0x1000）所指向的內(nèi)存位置。

第 12 行：(ptr?)指向的內(nèi)存位置存儲(chǔ)的值42被打印到控制臺(tái)。

第 15 行：使用關(guān)鍵字釋放在堆上地址 0x1000 處分配的內(nèi)存delete。在此行之后，ptr成為懸空指針，因?yàn)樗匀槐４娴刂?0x1000，但該內(nèi)存已被釋放。然而，對(duì)于這個(gè)重要的討論，我們不會(huì)詳細(xì)討論懸空指針。

第17行：?main函數(shù)返回0，表示執(zhí)行成功。

第 18 行：從堆棧中彈出主函數(shù)的堆棧幀，并釋放所有局部變量 (value和)。ptr

注意：C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還提供了一系列智能指針，可以幫助自動(dòng)化堆中內(nèi)存分配和釋放的過(guò)程。

堆內(nèi)存的主要特點(diǎn)

以下是需要記住的堆內(nèi)存的一些顯著特征：

大小的靈活性：堆內(nèi)存大小可以在程序執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生變化。

速度權(quán)衡：在堆中分配和釋放內(nèi)存速度較慢，因?yàn)樗婕皩ふ液线m的內(nèi)存幀和處理碎片。

動(dòng)態(tài)對(duì)象的存儲(chǔ)：堆內(nèi)存存儲(chǔ)具有動(dòng)態(tài)生命周期的對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如newJava 或 C++ 中使用關(guān)鍵字創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

持久數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中的數(shù)據(jù)將一直保留在那里，直到我們手動(dòng)釋放它或程序結(jié)束。

手動(dòng)管理：在某些編程語(yǔ)言（例如C和C++）中，必須手動(dòng)管理堆內(nèi)存。如果處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或資源使用效率低下。

堆棧與堆：差異對(duì)比

現(xiàn)在我們徹底了解了堆棧和堆內(nèi)存分配的工作原理，我們可以區(qū)分它們了。在比較棧內(nèi)存和堆內(nèi)存時(shí)，我們必須考慮它們的獨(dú)特特性來(lái)理解它們的差異：

大小管理：堆棧內(nèi)存具有在程序執(zhí)行開(kāi)始時(shí)確定的固定大小，而堆內(nèi)存是靈活的，可以在程序的整個(gè)生命周期中更改。

速度：堆棧內(nèi)存在分配和釋放內(nèi)存時(shí)具有速度優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗恍枰{(diào)整引用。相反，由于需要定位合適的內(nèi)存幀并管理碎片，堆內(nèi)存操作速度較慢。

存儲(chǔ)目的：堆棧內(nèi)存指定用于控制信息（例如函數(shù)調(diào)用和返回地址）、局部變量和函數(shù)參數(shù)（包括返回地址）。另一方面，堆內(nèi)存用于存儲(chǔ)具有動(dòng)態(tài)生命周期的對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如newJava 或 C++ 中使用關(guān)鍵字創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)可訪問(wèn)性：堆棧內(nèi)存中的數(shù)據(jù)只能在活動(dòng)函數(shù)調(diào)用期間訪問(wèn)，而堆內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在手動(dòng)釋放或程序結(jié)束之前仍然可以訪問(wèn)。

內(nèi)存管理：系統(tǒng)自動(dòng)管理堆棧內(nèi)存，優(yōu)化其使用，以實(shí)現(xiàn)快速高效的內(nèi)存引用。相比之下，堆內(nèi)存管理是程序員的責(zé)任，處理不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或資源使用效率低下。

下表總結(jié)了堆棧內(nèi)存和堆內(nèi)存在不同方面的主要區(qū)別：

堆棧內(nèi)存與堆內(nèi)存：何時(shí)使用每種類(lèi)型

我們現(xiàn)在知道堆棧內(nèi)存和堆內(nèi)存之間的區(qū)別?，F(xiàn)在讓我們看看何時(shí)使用每種類(lèi)型的內(nèi)存。

堆棧是 C++、Java 和 Python 中存儲(chǔ)局部變量和函數(shù)參數(shù)的默認(rèn)選項(xiàng)，其生命周期較短且可預(yù)測(cè)。但在以下情況下建議使用堆內(nèi)存：

當(dāng)需要存儲(chǔ)對(duì)象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或動(dòng)態(tài)分配的數(shù)組時(shí)，其生命周期在編譯時(shí)或函數(shù)調(diào)用期間無(wú)法預(yù)測(cè)。

當(dāng)內(nèi)存需求很大或者我們需要在程序的不同部分之間共享數(shù)據(jù)時(shí)。

當(dāng)需要分配超出單個(gè)函數(shù)調(diào)用范圍的內(nèi)存時(shí)。

此外，C++ 中需要手動(dòng)內(nèi)存管理（使用delete），而在 Java 和 Python 中，內(nèi)存釋放主要通過(guò)垃圾回收來(lái)處理。盡管如此，我們還是應(yīng)該注意內(nèi)存使用模式以避免出現(xiàn)問(wèn)題。

結(jié)論

對(duì)于任何尋求編寫(xiě)高效且優(yōu)化的代碼的程序員來(lái)說(shuō)，了解堆棧內(nèi)存和堆內(nèi)存之間的差異至關(guān)重要。

堆棧內(nèi)存最適合臨時(shí)存儲(chǔ)、局部變量和函數(shù)參數(shù)。

堆內(nèi)存非常適合大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和具有動(dòng)態(tài)生命周期的對(duì)象。

我們需要謹(jǐn)慎選擇合適的內(nèi)存分配方法；我們可以創(chuàng)建高效且性能良好的程序。

每種類(lèi)型的內(nèi)存都有其自己的一組功能，使用它們來(lái)確保我們軟件的性能和資源利用率至關(guān)重要。