資料介紹
在計機領(lǐng)域,堆棧是一個不容忽視的概念,我們編寫的C語言程序基本上都要用到。但對于很多的初學(xué)著來說,堆棧是一個很模糊的概念。堆棧:一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、一個在程序運行時用于存放的地方,這可能是很多初學(xué)者的認識,因為我曾經(jīng)就是這么想的和匯編語言中的堆棧一詞混為一談。我身邊的一些編程的朋友以及在網(wǎng)上看帖遇到的朋友中有好多也說不清堆棧,所以我想有必要給大家分享一下我對堆棧的看法,有說的不對的地方請朋友們不吝賜教,這對于大家學(xué)習(xí)會有很大幫助。
首先了解下計算機C語言中各個變量的存放區(qū)域:
代碼區(qū)(CODE): 存放函數(shù)代碼;
靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)(DATA): 存放全局變理/靜態(tài)變量;
堆區(qū)(HEAP): 是自由存儲區(qū),存放動態(tài)數(shù)據(jù),像new,malloc()申請的空間就是堆區(qū)的;
棧區(qū)(STACK): 存放臨時/局部變量。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的棧和堆
首先在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上要知道堆棧,盡管我們這么稱呼它,但實際上堆棧是兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):堆和棧。
堆和棧都是一種數(shù)據(jù)項按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
棧就像裝數(shù)據(jù)的桶或箱子
我們先從大家比較熟悉的棧說起吧,它是一種具有 后進先出 性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),也就是說后存放的先取,先存放的后取。這就如同我們要取出放在箱子里面底下的東西(放入的比較早的物體),我們首先要移開壓在它上面的物體(放入的比較晚的物體)。
堆像一棵倒過來的樹
而堆就不同了,堆是一種 經(jīng)過排序的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ,每個結(jié)點都有一個值。通常我們所說的堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是指二叉堆。堆的特點是根結(jié)點的值最?。ɑ蜃畲螅?,且根結(jié)點的兩個子樹也是一個堆。由于堆的這個特性,常用來實現(xiàn)優(yōu)先隊列, 堆的存取是隨意 ,這就如同我們在圖書館的書架上取書,雖然書的擺放是有順序的,但是我們想取任意一本時不必像棧一樣,先取出前面所有的書,書架這種機制不同于箱子,我們可以直接取出我們想要的書。
內(nèi)存分配中的棧和堆
然而我要說的重點并不在這,我要說的堆和棧并不是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的堆和棧,之所以要說數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的堆和棧是為了和后面我要說的堆區(qū)和棧區(qū)區(qū)別開來,請大家一定要注意。
下面就說說C語言程序內(nèi)存分配中的堆和棧,這里有必要把內(nèi)存分配也提一下,大家不要嫌我啰嗦,一般情況下程序存放在Rom或Flash中,運行時需要拷到內(nèi)存中執(zhí)行,內(nèi)存會分別存儲不同的信息,如下圖所示:
內(nèi)存中的棧區(qū)處于相對較高的地址以地址的增長方向為上的話,棧地址是向下增長的。
棧中分配局部變量空間,堆區(qū)是向上增長的用于分配程序員申請的內(nèi)存空間。另外還有靜態(tài)區(qū)是分配靜態(tài)變量,全局變量空間的;只讀區(qū)是分配常量和程序代碼空間的;以及其他一些分區(qū)。
來看一個網(wǎng)上很流行的經(jīng)典例子:
main.cpp
int a = 0; 全局初始化區(qū)
char *p1; 全局未初始化區(qū)
main()
{
int b; 棧
char s[] = "abc"; 棧
char *p2; 棧
char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區(qū),p3在棧上。
static int c =0; 全局(靜態(tài))初始化區(qū)
p1 = (char *)malloc(10); 堆
p2 = (char *)malloc(20); 堆
}
0.申請方式和回收方式不同
不知道你是否有點明白了,堆和棧的第一個區(qū)別就是申請方式不同:棧(英文名稱是stack)是系統(tǒng)自動分配空間的,例如我們定義一個 char a; 系統(tǒng)會自動在棧上為其開辟空間 。而堆(英文名稱是heap)則是 程序員根據(jù)需要自己申請的空間 ,例如malloc(10);開辟十個字節(jié)的空間。由于 棧上的空間是自動分配自動回收的 ,所以棧上的數(shù)據(jù)的生存周期只是在函數(shù)的運行過程中,運行后就釋放掉,不可以再訪問。而 堆上的數(shù)據(jù)只要程序員不釋放空間,就一直可以訪問到 ,不過缺點是一旦忘記釋放會造成內(nèi)存泄露。還有其他的??些區(qū)別我認為網(wǎng)上的朋友總結(jié)的不錯這里轉(zhuǎn)述一下:
1.申請后系統(tǒng)的響應(yīng)
棧:只要棧的剩余空間大于所申請空間,系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存,否則將報異常提示棧溢出。
堆:首先應(yīng)該知道 操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表 ,當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大于所申請空間的堆。
結(jié)點,然后將該結(jié)點從空閑結(jié)點鏈表中刪除,并將該結(jié)點的空間分配給程序,另外,對于大多數(shù)系統(tǒng),會在這塊內(nèi)存空間中的 首地址處記錄本次分配的大小 ,這樣,代碼中的 delete語句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外,由于找到的堆結(jié)點的大小不一定正好等于申請的大小,系統(tǒng)會自動的 將多余的那部分重新放入空閑鏈表中 。
也就是說 堆會在申請后還要做一些后續(xù)的工作這就會引出申請效率的問題。
2.申請效率的比較
根據(jù)第0點和第1點可知。
棧:由系統(tǒng)自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。
堆:是由new分配的內(nèi)存,一般速度比較慢,而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過用起來最方便。
3.申請大小的限制
棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是一塊 連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域 。這句話的意思是 棧頂?shù)牡刂泛蜅5淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的 ,在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數(shù)),如果申請的空間超過棧的剩余空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。
堆:堆是向高地址擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內(nèi)存地址的,自然是不連續(xù)的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。
4.堆和棧中的存儲內(nèi)容
由于棧的大小有限,所以用子函數(shù)還是有物理意義的,而不僅僅是邏輯意義。
棧:在函數(shù)調(diào)用時,第一個進棧的是 主函數(shù)中函數(shù)調(diào)用后的下一條指令 (函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句)的地址,然后是函數(shù)的各個參數(shù),在大多數(shù)的C編譯器中,參數(shù)是由右往左入棧的,然后是 函數(shù)中的局部變量 。注意靜態(tài)變量是不入棧的。
當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后,局部變量先出棧,然后是參數(shù),最后棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數(shù)中的下一條指令,程序由該點繼續(xù)運行。
堆 :一般是在堆的頭部用一個字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。
關(guān)于存儲內(nèi)容還可以參考 這道題 。這道題還涉及到局部變量的存活期。
5.存取效率的比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的;放在棧中。
但是,在以后的存取中,在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?例如堆)快。
比如:
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p;
a = c[1];
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