C++中堆和棧的完全解析

直就搞不清出這個問題，今天上網想起來，隨即搜了搜，找到了一些資料。不知源作者是誰。姑且“拿來主義”一下，呵呵。

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。
二、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，會在這塊內 存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：
＃i nclude
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。

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下面是另一篇，總結的比上面好：

堆和棧的聯絡與區別dd

在bbs上，堆與棧的區分問題，似乎是一個永恆的話題，由此可見，初學者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。

首先，我們舉一個例子：

void f() { int* p=new int[5]; }

這 條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應該想到，我們分配了一塊堆記憶體，那麼指標p呢？他分配的是一塊棧記憶體，所以這句話的意思就是：在 棧記憶體中存放了一個指向一塊堆記憶體的指標p。在程式會先確定在堆中分配記憶體的大小，然後呼叫operator new分配記憶體，然後返回這塊記憶體的首地址，放入棧中，他在VC6下的彙編程式碼如下：

00401028 push 14h

0040102A call operator new (00401060)

0040102F add esp,4

00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax

00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]

00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax

這裡，我們為了簡單並沒有釋放記憶體，那麼該怎麼去釋放呢？是delete p麼？澳，錯了，應該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個陣列，VC6就會根據相應的Cookie資訊去進行釋放記憶體的工作。

好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什麼區別？

主要的區別由以下幾點：

1、管理方式不同；

2、空間大小不同；

3、能否產生碎片不同；

4、生長方向不同；

5、分配方式不同；

6、分配效率不同；

管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程式設計師控制，容易產生memory leak。

空間大小：一般來講在32位系統下，堆記憶體可以達到4G的空間，從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，預設的棧空間大小是1M（好像是，記不清楚了）。當然，我們可以修改：

開啟工程，依次操作選單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然後在Reserve中設定堆疊的最大值和commit。

注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面，它設定的較大會使棧開闢較大的值，可能增加記憶體的開銷和啟動時間。

碎 片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成記憶體空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程式效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因 為棧是先進後出的佇列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個記憶體塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可 以參考資料結構，這裡我們就不再一一討論了。

生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著記憶體地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著記憶體地址減小的方向增長。

分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如區域性變數的分配。動態分配由alloca函式進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

分 配效率：棧是機器系統提供的資料結構，計算機會在底層對棧提供支援：分配專門的暫存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較 高。堆則是C/C++函式庫提供的，它的機制是很複雜的，例如為了分配一塊記憶體，庫函式會按照一定的演算法（具體的演算法可以參考資料結構/作業系統）在堆內 存中搜尋可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於記憶體碎片太多），就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間，這樣就有機會分到 足夠大小的記憶體，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這裡我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容 易造成大量的記憶體碎片；由於沒有專門的系統支援，效率很低；由於可能引發使用者態和核心態的切換，記憶體的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣 泛的，就算是函式的呼叫也利用棧去完成，函式呼叫過程中的引數，返回地址， EBP和區域性變數都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的記憶體空間，還是用堆好一些。

無 論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程式崩潰，要麼是摧毀程式的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算 是在你的程式執行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候debug可是相當困難的：）

對了，還有一件事，如果有人把堆疊合起來說，那它的意思是棧，可不是堆，呵呵，清楚了

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> 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。

沒搞懂不要瞎用.

VirtualAlloc 是按頁分配的(>= 4 kb), 小東西用浪費巨大.

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通過堆疊呼叫解析多執行緒

首先說明一下，堆是程式的全域性資料記憶體儲存區，棧是函式的區域性資料記憶體儲存區。由於大多數書籍在介紹堆或棧時，皆以堆疊泛指，因此，題目標題亦如此表述，希望讀者不要混淆就是了。
初 見標題，也許有人覺得奇怪，多執行緒和堆疊有關係嗎？初學多執行緒，很多概念難以辨清。要全面深入理解多執行緒，必須對棧有十分清楚的理解。個人感覺在 Windows程式設計中，棧的概念猶如C/C++中的指標，非常重要，但難於全面理解。市面上的書籍對堆疊的介紹或是蜻蜓點水、浮於表面；或是過於理論化， 不夠具體，不易理解。在這裡，我以示例的形式將自己的一點學習體會寫出來與大家分享。為了便於表述清楚，文章分為兩部分：第一部分介紹棧的呼叫，這是此篇 文章的核心。第二部分解析多執行緒的概念。
一、棧的呼叫
眾所周知，在函式呼叫過程中，引數的傳遞是通過棧完成的，具體到機器碼是什麼樣子 呢？不同的呼叫約定（PASCAL約定或STDCALL約定等）將導致不同的引數壓棧順序，這些細節就略去不講了，有興趣的讀者可以參考相關書目。為了把 棧的概念表述清楚，這裡將涉及到一些簡單的組合語言方面的知識，一點點而已。然後以一個簡單的C++控制檯程式為示例來進一步詳細說明。先把程式碼列出來， 夠簡單吧。
#include<iostream.h>
int fn(int n)
{
n+=1;
return n;
}
void main()
{
int i=1,j=10;
i=fn(i); // A
j=fn(j); // B
cout<<i<<" "<<j<<endl;
}
現 在我們需要一點彙編方面的知識，以更好地瞭解棧是個什麼東東。通俗一點講，棧就是一塊記憶體儲存區，但是，這塊記憶體儲存區的操作使用有點特別。棧是由 CPU直接管理的記憶體陣列，CPU使用暫存器對其進行管理。ESP暫存器存放棧底（棧是向下增長的）資料的地址。push指令將資料壓入棧中，ESP寄存 器的值將隨之減小；相反，pop指令將資料從棧底彈出，ESP暫存器的值隨之增大。這樣，ESP暫存器將始終存放棧底資料的地址。另一方面呢，CPU在執 行程式碼的時候，完全是依靠CPU內部的暫存器完成的。通過EIP暫存器尋找當前要執行的程式碼，通過EBP、ESP定位函式引數的地址、函式區域性變數，等等 等等。
下面讓我們看一下，當某一個函式被呼叫時，棧將有何變動。
（l）、函式引數被壓入棧中。
（2）、返回地址（被呼叫函式執行完後將被執行的語句地址）被壓入棧中，函式被呼叫，此時，CPU將準備執行函式體內的程式碼。
（3）、函式程式碼開始執行，首先執行的是將EBP壓入棧中。
（4）、使EBP的值等於ESP。現在，EBP紀錄的是當前棧底地址（ESP），以後函式就可以利用EBP對壓棧的函式引數進行定址了（此時已壓棧的有函式引數、返回地址、EBP原始值）。
（5）、從ESP中減掉一定的數值，為函式留下區域性變數空間。此後，ESP將用於區域性變數的定址。
編譯器設計者的聰明才智真是令人敬佩。高階語言書寫簡單的一句函式呼叫，被編譯成了如此繁雜的機器程式碼。
好了，下面我們再具體一點，以前面的C++程式為例，以VC反彙編斷點除錯的方式，看看以上過程是如何實現的。
在A處，程式的主執行緒呼叫了函式fn並傳遞了引數。其彙編程式碼如下：
004010B6 mov eax,dword ptr [ebp-4] //此時ebp=0x0012ff80，&i=0x12ff7c，ebp-4為i的地址
004010B9 push eax
004010BA call @ILT+20(fn) (00401019)
再明顯不過了，第一行彙編程式碼將變數i的數值放入暫存器eax中。第二行彙編程式碼將變數i的數值壓入棧中，對應前面（1）。第三行彙編程式碼執行call指令，此條指令自動將返回地址壓入棧中，然後，跳轉到函式體內部，準備執行函式內部的程式碼，對應前面（2）。
現在我們再來看看函式內部的程式碼是什麼樣子。這裡只擷取部分相關程式碼。
2: int fn(int n)
3: {
00401050 push ebp
00401051 mov ebp,esp
… … … …
4: n+=1;
00401068 mov eax,dword ptr [ebp+8] //此時ebp=0x12ff20 &n=0x12ff28 eax=1
0040106B add eax,1
0040106E mov dword ptr [ebp+8],eax
第一行彙編程式碼對應前面（3）。第二行彙編程式碼對應前面（4）。第三行彙編程式碼將變數n的數值放入暫存器eax中。第四行彙編程式碼將其加一。第五行彙編程式碼將結果放回變數n。這裡可以十分清楚地看到，EBP暫存器用於引數的定址。
現在我們再看看B處函式呼叫的情況。
004010C5 mov ecx,dword ptr [ebp-8] //此時ebp=0x12ff80，&j=0x12ff78 ，ebp-8為j的地址
004010C8 push ecx
004010C9 call @ILT+20(fn) (00401019)
可以看到，除了壓棧數值變化以外，沒有其它不同了。A處壓棧i，B處壓棧j。
下面使用VC單步除錯，再來看函式體內部，彙編程式碼沒有任何不同，不同的只是棧。當然了，函式體的程式碼是編譯器一次性編譯的。即使被多次呼叫，去完成不同的工作，不同的只是引數（呼叫棧），函式內部使用間接定址，只是相同的機器碼操作不同的記憶體儲存區而已。
2: int fn(int n)
3: {
00401050 push ebp
00401051 mov ebp,esp
… … … …
4: n+=1;
00401068 mov eax,dword ptr [ebp+8] //此時ebp=0x12ff20 &n=0x12ff28 eax=10
0040106B add eax,1
0040106E mov dword ptr [ebp+8],eax
到了這裡，棧的概念就講完了。
二、解析多執行緒
這裡首先要明確一點：每一個執行緒都獨立擁有一個棧。
我 們知道，Windows系統是一個多工作業系統，多個執行緒可以“同時”執行。前面講到，CPU執行程式程式碼完全依靠各種暫存器。當一個執行緒將被掛起時， 當前的各種暫存器的數值就被儲存在了執行緒的棧中。當CPU重新執行此執行緒時，將從棧中取出暫存器的數值，接著執行，好像這個執行緒從來就沒有被打斷過一樣。 正是因為每個執行緒都有一個獨立的棧，使執行緒擁有了可以“閉門造車”的能力。只要將引數傳遞給執行緒的棧，CPU將擔負起這塊記憶體儲存區的管理工作，並適時地 執行執行緒函式程式碼對其進行操作，所有這一切與前面所講述的沒有不同。當系統在多個執行緒間切換時，CPU將執行相同的程式碼操作不同的棧。
下面舉一個例子來加深理解。
隨 著物件導向程式設計方法的普及，我們很樂意將任何操作都包裝成為一個類。執行緒函式也不例外，以靜態函式的形式將執行緒函式放在類中是C++程式設計普遍使用的一種方 法。通常情況下物件包括屬性（類變數）與方法（類函式）。屬性指明物件自身的性質，方法用於操作物件，改變它的屬性。現在有一個小問題要注意了。類的靜態 函式只能訪問類的靜態變數，而靜態變數是不屬於單個物件的，他存放在程式的全域性資料儲存區。一般情況下，我們希望每個物件能夠“獨立”，也就是說，多個對 象能夠各自幹各自的工作，不要相互打擾。如果以通常的方法，以類（靜態）變數儲存物件的屬性，可就要出問題了，因為類（靜態）變數不屬於單個物件。現在怎 麼辦呢？如何繼續保持每個物件的“獨立性”。解決的方法就是使用棧，將引數傳遞給執行緒函式的區域性變數（棧儲存區），以單個物件管理每個執行緒，問題就解決 了。當然了，解決方法是多種多樣的，這裡只是為了進一步解釋多執行緒與物件的關係。
由於Windows的內部實現實在是太複雜了，這裡只是在應用的 層面上對棧給出解釋。若深入到Windows內部，棧的定位首先需要依據暫存器SS經由（全域性或區域性）段描述符表得到相應的線性地址（虛擬地址）基址，此 基址與EIP相加，然後再經由分頁機制定址實體記憶體。有興趣的讀者可以參閱文章後面的參考書目。一點學習體會寫出來與大家分享，有不對的地方，歡迎指正。
參考書目：
《Intel組合語言程式設計》（第四版），作者：Kip R.Irvine，電子工業出版社翻譯出版。
《Windows環境下32位組合語言程式設計》，作者：羅雲彬，電子工業出版社出版。

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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
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這個好像有誤, 資料結構中的堆是這樣一個序列:
{....Ki.....} 其中這個元素滿足: Ki>=K2*i 且Ki>=K2*i+1 或者Ki<=K2*i且Ki<=K2*i+1.

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棧是由作業系統管理的，一切的空間都不需要使用者來操心
堆是由使用者來管理的，如果只在堆裡分配記憶體而不釋放，就會造成記憶體洩漏
棧的空間很小，而堆的空間很大

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