堆和栈的相关笔记

摘要

在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，堆栈是一种数据结构。

堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。

在单片机应用中，堆栈是个特殊的存储区，主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。

堆栈中的物体具有一个特性：第一个放入堆栈中的物体总是被最后拿出来， 这个特性通常称为先进后出 (FILO—First-In/Last-Out)。 堆栈中定义了一些操作， 两个最重要的是PUSH和POP。 PUSH（入栈）操作：堆栈指针（SP）加1，然后在堆栈的顶部加入一 个元素。POP（出栈）操作相反，出栈则先将SP所指示的内部ram单元中内容送入直接地址寻址的单元中（目的位置），然后再将堆栈指针（SP）减1。这两种操作实现了数据项的插入和删除。

栈简介

栈由操作系统自动分配释放 ，用于存放函数的参数值、局部变量等，其操作方式类似于数据结构中的栈。参考如下代码：

int main()
{
	int b;				//栈
	char s[] = "abc"; 	//栈
	char *p2;			//栈
}

其中函数中定义的局部变量按照先后定义的顺序依次压入栈中，也就是说相邻变量的地址之间不会存在其它变量。栈的内存地址生长方向与堆相反，由高到底，所以后定义的变量地址低于先定义的变量，比如上面代码中变量s的地址小于变量b的地址，p2地址小于s的地址。栈中存储的数据的生命周期随着函数的执行完成而结束。

————————————————

版权声明：本文为CSDN博主「Dablelv」的原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。

原文链接：https://blog.csdn.net/K346K346/article/details/80849966

堆简介

堆由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时由OS回收，分配方式倒是类似于链表。参考如下代码：

int main()
{
	//C中使用malloc函数申请
	char* p1 = (char *)malloc(10);
	cout<<(int*)p1<<endl;		//输出：00000000003BA0C0
	
	//使用free()释放
	free(p1);
   
	//C++中用new运算符申请
	char p2 = new char[10];
	cout<<(int*)p2<<endl;		//输出：00000000003BA0C0
	
	//使用delete运算符释放
	delete[] p2;
}

其中p1所指的10字节的内存空间与p2所指的10字节内存空间都是存在于堆的。堆的内存地址生长方向与栈相反，由低到高，但需要注意的是，后申请的内存空间并不一定在先申请的内存空间的后面，即p2指向的地址并不一定大于p1所指向的内存地址，原因是先申请的内存空间一旦被释放，后申请的内存空间则会利用先前被释放的内存，从而导致先后分配的内存空间在地址上不存在先后关系。堆中存储的数据的若未释放，则其生命周期等同于程序的生命周期。

关于堆上内存空间的分配过程，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语句才能正确地释放本内存空间。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。

堆和栈的区别

堆与栈实际上是操作系统对进程占用的内存空间的两种管理方式，主要有如下几种区别：

（1）管理方式不同。栈由操作系统自动分配释放，无需我们手动控制；堆的申请和释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏；

（2）空间大小不同。每个进程拥有的栈的大小要远远小于堆的大小。理论上，程序员可申请的堆大小为虚拟内存的大小，进程栈的大小 64bits 的 Windows 默认 1MB，64bits 的 Linux 默认 10MB；

（3）生长方向不同。堆的生长方向向上，内存地址由低到高；栈的生长方向向下，内存地址由高到低。

（4）分配方式不同。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。静态分配是由操作系统完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由操作系统进行释放，无需我们手工实现。

（5）分配效率不同。栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：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。堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然，堆的效率比栈要低得多。

（6）存放内容不同。栈存放的内容，函数返回地址、相关参数、局部变量和寄存器内容等。当主函数调用另外一个函数的时候，要对当前函数执行断点进行保存，需要使用栈来实现，首先入栈的是主函数下一条语句的地址，即扩展指针寄存器的内容（EIP），然后是当前栈帧的底部地址，即扩展基址指针寄存器内容（EBP），再然后是被调函数的实参等，一般情况下是按照从右向左的顺序入栈，之后是被调函数的局部变量，注意静态变量是存放在数据段或者BSS段，是不入栈的。出栈的顺序正好相反，最终栈顶指向主函数下一条语句的地址，主程序又从该地址开始执行。堆，一般情况堆顶使用一个字节的空间来存放堆的大小，而堆中具体存放内容是由程序员来填充的。

从以上可以看到，堆和栈相比，由于大量malloc()/free()或new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片，并且可能引发用户态和核心态的切换，效率较低。栈相比于堆，在程序中应用较为广泛，最常见的是函数的调用过程由栈来实现，函数返回地址、EBP、实参和局部变量都采用栈的方式存放。虽然栈有众多的好处，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，主要还是用堆。

无论是堆还是栈，在内存使用时都要防止非法越界，越界导致的非法内存访问可能会摧毁程序的堆、栈数据，轻则导致程序运行处于不确定状态，获取不到预期结果，重则导致程序异常崩溃，这些都是我们编程时与内存打交道时应该注意的问题。