C中關於堆疊的總結

smallkiss發表於2019-05-09

在計算機領域，堆疊是一個不容忽視的概念，但是很多人甚至是計算機專業的人也沒有明確堆疊其實是兩種資料結構。堆疊都是一種資料項按序排列的資料結構，只能在一端(稱為棧頂(top))對資料項進行插入和刪除。

要點：堆，順序隨意。棧，後進先出(Last-In/First-Out)。

兩種“堆疊”的對比

  • 堆(從作業系統角度)

一般由程式設計師分配釋放，若程式設計師不釋放，程式結束時可能由作業系統回收，分配方式類似
於連結串列。堆存放在二級快取中，生命週期由虛擬機器的垃圾回收演算法決定（並不是一旦成為孤兒物件就能被回收）。所以呼叫這些物件的速度要相對來得低一些

  • 棧(從作業系統角度)

由編譯器自動分配釋放，存放函式的引數值，區域性變數等。
操作方式類似於資料結構中的棧，棧使用的是一級快取， 他們通常都是被呼叫時處於儲存空間中，呼叫完畢立即釋放。
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；棧實際上就是滿足後進先出的性質的數學或資料結構。

  • 堆(從作業系統角度)

堆可以被看成是一棵樹，如：堆排序

  • 棧(從作業系統角度)

一種後進先出的的資料結構

申請方式

  • 棧

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。

  • 堆

需要程式設計師自己申請，並指明大小，在c中使用malloc函式,如p1 = (char*)malloc(10);
在C++中用new運算子，如p2 = new char[20];但是注意p1、p2本身是在棧中的。

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，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。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。

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。
在C Primer Plus(第五版)中，看到這麼一段話，整數常量表示式是由整數常量組成的表示式，sizeof表示式被認為是一個整數常量，而(和C++不一樣)一個const的值不是一個整數常量，並且表示式的值必須大於0**

申請效率的比較

  • 棧

系統自動分配，速度較快。但程式設計師是無法控制的。

  • 堆

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,而是直接在程式的地址空間中保留一塊記憶體，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

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函式呼叫後的下一條指令(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。堆中的具體內容由程式設計師安排。

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。

#include<stdio.h>

int main()
{
    char a = 1;
    char c[] = "1234567890";
    char *p ="1234567890";
    a = c[1];
    a = p[1];
    return 0;
}

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，再根據edx讀取字元，顯然慢了。

總結

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。

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