全程剖析C语言中堆和栈的区别

1.申请方式
(1)栈(satck):由系统自动分配。例如,声明在函数中一个局部变量int b;系统自动在栈中为b开辟空间。
(2)堆(heap):需程序员自己申请(调用malloc,realloc,calloc),并指明大小,并由程序员进行释放。容易产生memory leak.
eg:

但是,p本身是在栈中。

2.申请大小的限制

(1)栈:在windows下栈是向底地址扩展的数据结构,是一块连续的内存区域(它的生长方向与内存的生长方向相反)。栈的大小是固定的。如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。
(2)堆:堆是高地址扩展的数据结构(它的生长方向与内存的生长方向相同),是不连续的内存区域。这是由于C系统使用链表来存储空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由底地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。

3.系统响应:

(1)栈:只要栈的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。
(2)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,但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链表中删除,并将该结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free语句才能正确的释放本内存空间。另外,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。

说明:对于堆来讲,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,

4.申请效率

(1)栈由系统自动分配,速度快。但程序员是无法控制的
(2)堆是由malloc分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生碎片,不过用起来最方便。

5.堆和栈中的存储内容

(1)栈:在函数调用时,第一个进栈的主函数中后的下一条语句的地址,然后是函数的各个参数,参数是从右往左入栈的,然后是函数中的局部变量。注: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,程序由该点继续执行。
(2)堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。

6.存取效率

(1)堆:char *s1=”hellow tigerjibo”; 是在编译是就确定的
(2)栈:char s1[]=”hellow tigerjibo”; 是在运行时赋值的;用数组比用指针速度更快一些,指针在底层汇编中需要用edx寄存器中转一下,而数组在栈上读取。

补充:

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。

7.分配方式:

(1)堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。
(2)栈有两种分配方式: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alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的。它的动态分配是由编译器进行释放,无需手工实现。

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