Heap和Stack的區別

2.1 記憶體分配策略

按照編譯原理的觀點,程式執行時的記憶體分配有三種策略,分別是靜態的,棧式的,和堆式的.
靜態儲存分配是指在編譯時就能確定每個資料目標在執行時刻的儲存空間需求,因而在編譯時就可以給他們分配固定的記憶體空間.這種分配策略要求程式程式碼中不允許有可變資料結構 (比如可變陣列)的存在,也不允許有巢狀或者遞迴的結構出現,因為它們都會導致編譯程式無法計算準確的儲存空間需求.
棧式儲存分配也可稱為動態儲存分配,是由一個類似於堆疊的執行棧來實現的.和靜態儲存分配相反,在棧式儲存方案中,程式對資料區的需求在編譯時是完全未知的,只有到執行的時候才能夠知道,但是規定在執行中進入一個程式模組時,必須知道該程式模組所需的資料區大小才能夠為其分配記憶體.和我們在資料結構所熟知的棧一樣,棧式儲存分配按照先進後出的原則進行分配。
靜態儲存分配要求在編譯時能知道所有變數的儲存要求,棧式儲存分配要求在過程的入口處必須知道所有的儲存要求,而堆式儲存分配則專門負責在編譯時或執行時模組入口處都無法確定儲存要求的資料結構的記憶體分配,比如可變長度串和物件例項.堆由大片的可利用塊或空閒塊組成,堆中的記憶體可以按照任意順序分配和釋放.

2.2 堆和棧的比較
上面的定義從編譯原理的教材中總結而來,除靜態儲存分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態儲存分配,集中比較堆和棧:
從堆和棧的功能和作用來通俗的比較,堆主要用來存放物件的，棧主要是用來執行程式的.而這種不同又主要是由於堆和棧的特點決定的:
在程式設計中，例如C/C++中，所有的方法呼叫都是通過棧來進行的,所有的區域性變數,形式引數都是從棧中分配記憶體空間的。實際上也不是什麼分配,只是從棧頂向上用就行,就好像工廠中的傳送帶(conveyor belt)一樣,Stack Pointer會自動指引你到放東西的位置,你所要做的只是把東西放下來就行.退出函式的時候，修改棧指標就可以把棧中的內容銷燬.這樣的模式速度最快, 當然要用來執行程式了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要呼叫的程式模組分配資料區時,應事先知道這個資料區的大小,也就說是雖然分配是在程式執行時進行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時確定的,不是在執行時.
堆是應用程式在執行的時候請求作業系統分配給自己記憶體，由於從作業系統管理的記憶體分配,所以在分配和銷燬時都要佔用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優點在於,編譯器不必知道要從堆裡分配多少儲存空間，也不必知道儲存的資料要在堆裡停留多長的時間,因此,用堆儲存資料時會得到更大的靈活性。事實上,物件導向的多型性,堆記憶體分配是必不可少的,因為多型變數所需的儲存空間只有在執行時建立了物件之後才能確定.在C++中，要求建立一個物件時，只需用new命令編制相關的程式碼即可。執行這些程式碼時，會在堆裡自動進行資料的儲存.當然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆裡分配儲存空間時會花掉更長的時間！這也正是導致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優點(暈~).

一、預備知識—程式的記憶體分配
一個由c/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分
1、棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。
2、堆區（heap） — 一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於連結串列，呵呵。
3、全域性區（靜態區）（static）—，全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的，初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域， 未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。 - 程式結束後有系統釋放
4、文字常量區 —常量字串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放
5、程式程式碼區—存放函式體的二進位制程式碼。

例子程式
這是一個前輩寫的，非常詳細
//main.cpp
int a = 0; 全域性初始化區
char *p1; 全域性未初始化區
main()
{
int b; 棧
char s[] = "abc"; 棧
char *p2; 棧
char *p3 = "123456"; 123456/0在常量區，p3在棧上。
static int c =0； 全域性（靜態）初始化區
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。
strcpy(p1, "123456"); 123456/0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。
} 

二、堆和棧的理論知識
2.1申請方式
stack:
由系統自動分配。 例如，宣告在函式中一個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間
heap:
需要程式設計師自己申請，並指明大小，在c中malloc函式
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算子
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。

2.2 申請後系統的響應
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將為程式提供記憶體，否則將報異常提示棧溢位。
堆：首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列，當系統收到程式的申請時，
會遍歷該連結串列，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點連結串列中刪除，並將該結點的空間分配給程式，另外，對於大多數系統，會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，程式碼中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中。

2.3申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴充套件的資料結構，是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，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），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴充套件的資料結構，是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用連結串列來儲存的空閒記憶體地址的，自然是不連續的，而連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

2.4申請效率的比較：
棧由系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。
堆是由new分配的記憶體，一般速度比較慢，而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體，他不是在堆，也不是在棧是直接在程式的地址空間中保留一快記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活

2.5堆和棧中的儲存內容
棧： 在函式呼叫時，第一個進棧的是主函式中後的下一條指令（函式呼叫語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函式的各個引數，在大多數的C編譯器中，引數是由右往左入棧的，然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。
當本次函式呼叫結束後，區域性變數先出棧，然後是引數，最後棧頂指標指向最開始存的地址，也就是主函式中的下一條指令，程式由該點繼續執行。
堆：一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。

2.6存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
但是，在以後的存取中，在棧上的陣列比指標所指向的字串(例如堆)快。
比如：
#include <stdio.h>
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}
對應的彙編程式碼
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
第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中，而第二種則要先把指標值讀到edx中，在根據edx讀取字元，顯然慢了。

2.7小結：
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出：
使用棧就象我們去飯館裡吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

堆和棧的區別主要分：
作業系統方面的堆和棧，如上面說的那些，不多說了。
還有就是資料結構方面的堆和棧，這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是（滿足堆性質的）優先佇列的一種資料結構，第1個元素有最高的優先權；棧實際上就是滿足先進後出的性質的數學或資料結構。
雖然堆疊，堆疊的說法是連起來叫，但是他們還是有很大區別的，連著叫只是由於歷史的原因。