堆栈学习笔记

转载于李家凯老师的文章.

一、预备知识——程序的内存分配

由C/C++编译的程序占用的内存可以分为一下两个部分：

1. 堆区(heap)：一般由程序员分配释放(比如malloc/free,new/delete)，如果程序员不释放，程序结束时可能会由操作系统进行回收。需要注意的是它和数据结构个中的堆是两码事，分配方式上堆类似于链表。
2. 栈区(stack)：由编译器自动分配和释放，存放函数的参数值、局部变量等。它的操作方式和数据结构中的栈相似。
3. 全局区(static)：全局变量和静态变量是存放在一块的，初始化全局变量和静态变量是在一块区域的，而未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域，程序结束后系统自动释放。
4. 文字常量区：常量字符串存放与于此，程序结束后系统自动释放。
5. 程序代码区：存放函数体的二进制代码。

Example:
int a = 0; // 全局初始化区
char *p1; // 全局未初始化区
main()
{
int a; // 栈区
char s[] = "abc"; // 栈区
char *p2; // 栈区
char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量区，p3在栈上。
static int c =0； // 全局(静态)初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); // 分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
strcpy(p1, "123456"); // 123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
} 

二、 堆和栈的理论知识

2.1 申请方式

栈：系统自动分配。比如，申明一个局部变量int a;系统自动在栈中为a开辟空间。
堆：需要程序员自己申请，并指明大小。比如:

p2 = (char *)malloc(10);

这句语句中p2是存在栈里的，但是他们指向的申请到的内存是在堆里的。

2.2 申请后系统的响应

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的时候，会遍历该链表，寻找到第一个空间大于所申请空间的堆节点，然后将该节点从空闲结点链表中删除，再把该节点的空间分配给程序；另外，对于大多数系统，会在这块内存空间的首地址处记录本次分配的大小，这样delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆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。
栈：只要栈的剩余空间大于所申请的空间，系统就能为程序提供内存，否则会报异常提示栈溢出。

2.3 申请大小的限制

堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由系统使用链表来存储空闲内存地址的，这些是不连续的。而链表的遍历方向是低地址到高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见堆的空间比较灵活也比较大。
栈：栈是从低地址到高地址扩展的，是一块连续的内存区域。这句话的意思是说站定的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的。（windows里栈的大小一般是1M或者2M）如果申请的空间超过栈的剩余空间就会提示stack overflow。 因此，从栈获得的空间比较小。

2.4 申请效率的比较：

堆：是由malloc/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。
栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

2.5 堆和栈中的存储内容

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。
栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中的下一条指令(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。

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。
比如：
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
} 

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，在根据edx读取字符，显然慢了。