C语言中的栈和堆

原文出处《http://blog.csdn.net/xiayufeng520/article/details/45956305#t0》

栈内存由编译器分配和释放，堆内存由程序分配和释放。

1、C语言中的动态内存

C语言程序语言中的动态数据存储区主要有两大类：一类是栈（STACK）内存区域，另一类是堆（HEAP）内存区域。他们都是在程序运行的过程中动态分配的。其大小在程序运行的过程中将动态地变化。在目前常见的体系结构和编译系统中，一种典型的动态内存管理形式为：栈内存将从高地址向地地址分配，堆内存将从地地址向高地址分配。从内存管理实现的角度上，堆内存使用链表来实现，而栈内存使用线性存储的方式。栈内存是由编译器管理的，而堆内存是由程序调用具体库函数管理的。

2、栈内存

栈内存的使用在很大的程度上依赖于处理器的硬件机制。通常在内存中分配一块区域，在这块内存的上界（高内存地址）和下界（低内存地址）之间是可用的栈内存区域。
在处理器中，一般有一个寄存器来表示当前栈指针的位置。栈指针是一个指向栈区域内部的指针，即它的值是一个地址。因此，栈指针将栈区域分成两个部分，一个部分是已经使用的栈区域，另一个部分是没有使用过的栈区域。
栈内存的增长方向有两种：一种是向上增长的即从地地址向高地址增长；另一种是向下增长的即从高地址向地地址增长。但目前的栈大都是向下增长的，在初始的阶段（即没有任何栈空间分配的阶段），栈指针式指向栈区间的上界。随着栈使用的增加，栈指针的值将向地地址移动，即栈指针的值将变小。
栈内存在使用过程中的一个总要的特性是先入后出，即后放入栈内存的内容将先出栈，而先放入栈的内容将后出栈。
在入栈（PUSH，压栈）的过程中，计算机根据目前栈指针的地址将寄存器的内容放入内存。入栈完成后，栈内存中已使用区域将增加这次压入的内容，栈指针移动到较低的地址。在入栈的过程中，如果栈指针的变化超出栈内存的区域，将发生栈溢出（OVERFLOW）。
在出栈（POP）的过程中，计算机更具目前栈指针的地址将栈内存中的内容放入到寄存器。出栈完成后，本次弹出的内容将由己使用的内存区域变为未使用的内存区域，栈指针移动到较高的地址。
由此可见，栈指针的功能是标示当前的栈位置。对栈内存处理中，每次能够获取的内容都是最后放入栈内存的内容，而每次放入栈内存的内容都将位于栈内存的最后。
栈是一个先入后出的内存区域，处理器的栈指针提供一种硬件的内存机制。

3、堆内存

在一般的编译系统中，堆内存的分配方向和栈内存是相反的。堆内存从地地址向高地址分配。

在C语言中，堆内存在分配和释放的时候，是程序通过调用C语言的库函数（malloc()和 free()）完成的，这和栈内存的分配有区别的。在堆内存的分配过程中，每次分配将返回一个当前分配地址的指针。在程序中如果多次分配内存，可以得到多个内存指针，每个内存指针都是本次分配内存的地址。在释放内存的时候，只需要对每个指针进行操作，那个指针所指向的内存就会被释放，而其他的内存区域没有影响。

堆内存有一个整体分配的过程，按照向上的堆内存分配方向，随着堆内存使用量的增加，堆内存将逐渐向高地址分配。这只是一个大体的增长的方面，在堆内存中，已使用的区域和未使用区域是交错的，而不像栈区域那样有明显的分界线（链表形式）。

4、函数参数使用栈

在C语言函数调用过程中，参数将保存在系统的栈中。

参数入栈的顺序是：后面的参数在高地址处，前面的参数在低地址处（编译器读入函数参数顺序:从后向前对入）。

事实上，进入函数后，第一个参数将位于栈空间的最后。因此，程序在按照顺序访问参数的时候，还是从低地址到高地址的访问。注意：具体参数将占用多大的栈空间，由编译器决定，因此入栈之前的栈指针和入栈后的栈指针之间的内容不一定和参数大小的和一致。

在函数退出后，栈指针返回到函数进入函数之前的位置。

在函数调用的过程总，每增加一个层次，都会让程序需要更大的栈空间。

在函数参数中使用数组的时候，数组将被转换为指针处理，这等同于传递一个同类型的指针。

5、自动变量使用栈空间

在程序中，函数内部使用的自动变量也是保存在栈区域的。
编译器在处理自动变量的时候，将在参数栈区的后面为自动变量分配栈空间。因此参数也可以作为局部的自动变量使用。

编译器只会为函数内部的自动变量在栈上开辟空间，对于局部静态变量，编译器不会在栈上开辟空间的，而将其放入静态的存储区内。
当自动变量有结构体和数组等较大的构造型数据的时候，需要在栈上开辟较大的空间。
在函数运行的过程中，返回值是保存在栈上的，函数完成后，函数的调用者可以通过返回值得到这个栈上的内存。函数使用指针作为返回值的时候，不能返回指向函数内部栈区域的地址。局部自动变量的地址不可以作为函数的返回值，但可以作为参数传递给其他函数。

6、堆空间使用

在C语言中，堆内存区域的分配和释放是通过调用库函数来完成的。在内存的分配和释放上，普通使用 malloc() 和 free() 两个函数。在使用 malloc 函数的时候需要指定分配内存的大小，分配成功返回内存地址，失败返回 NULL 。free 释放内存的时候，只需传入需要释放指针，这个指针必须是由分配函数分配出来的。

堆内存的管理上，容易出现的问题有：

开辟的内存没有释放，造成内存泄漏（内存泄漏不是一个立即会引发的问题，但是他会消耗系统内存，当内存泄漏比较大，而且又频繁出现的情况下，将造成系统的可用内存降低，出现性能下降甚至程序无法正常运行等情况）

野指针被使用或释放（野指针是一个已经被释放的内存指针，他指向的位置已经被 free或者 realloc函数释放了，但该指针依然在使用，这时将导致程序错误。正常的情况下，内存释放后，内存指针置为 NULL ）
非法释放指针

7、区别&使用

栈内存由编译器分配和释放，堆内存由程序分配和释放。
在C语言语法的方面对栈内存和堆内存如何使用没有限制，然而从使用的角度，栈内存更适用于容量较小的单个变量，而堆内存则适用于开辟较大块的内存。
申请后系统的响应

栈：只要栈的剩余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。
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，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结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，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delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于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。
申请大小的限制
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

堆和栈的区别

可以用如下的比喻来看出：使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。 (经典！)

8、满栈和空栈

满栈处理和空栈处理室友处理器的硬件结构决定的，他们的区别在于当前栈指针指向的位置是已使用的栈内存区域还是未使用的栈内存区域，与编程没有关系，甚至编译器都不需要关心这个问题。无论在何种情况下，栈指针都是已使用的栈区域和未使用的栈区域的分界线。

一、简介

一个程序本质上都是由 bss段、data段、text段三个段组成的。这样的概念，不知道最初来源于哪里的规定，但在当前的计算机程序设计中是很重要的一 个基本概念。而且在嵌入式系统的设计中也非常重要，牵涉到嵌入式系统运行时的内存大小分配，存储单元占用空间大小的问题。

在采用段式内存管理的架构中(比如intel的80x86系统)，bss段(Block Started by Symbol segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域，一般在初始化时bss 段部分将会清零。bss段属于静态内存分配，即程序一开始就将其清零了。

比如在C语言之类的程序编译完成之后，已初始化的全局变量保存在.data 段中，未初始化的全局变量保存在.bss 段中。
         在《Programming ground up》里对.bss的解释为：There is another section called the .bss. This section is like the data section, except that it doesn’t take up space in the executable。text和data段都在可执行文件中(在嵌入式系统里一般是固化在镜像文件中)，由系统从可执行文件中加载；而bss段不在可执行文件中，由系统初始化。

程序的内存分配知识：

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区（stack）
        由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap） 
        一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。

3、全局区(静态区)(static)
        全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后有系统释放

4、文字常量区
        常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放

5、程序代码区
        存放函数体的二进制代码。

例子程序：

//main.cpp

int a = 0; 全局初始化区

char *p1; 全局未初始化区

main()

{

　　int b; //栈

　　char s[] = "abc";// 栈

　　char *p2; //栈

　　char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。

　　static int c =0； //全局（静态）初始化区

　　p1 = (char *)malloc(10);

　　p2 = (char *)malloc(20); //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。

　　strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向

　　//的"123456"优化成一个地方

}

二、堆和栈的理论知识
2.1、申请方式

stack：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。

heap：需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数如p1 = (char *)malloc(10);。在C++中用new运算符如p2 = (char *)malloc(10);。但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.2、申请效率的比较：

栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活

2.3、堆和栈中的存储内容

栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意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，程序由该点继续运行。

堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排.

2.4、存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；

但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。比如：

　　#include

　　void main()

　　{

　　　　char a = 1;

　　　　char c[] = "1234567890";

　　　　char *p ="1234567890";

　　　　a = c[1];

　　　　a = p[1];

　　　　return;

　　}

对应的汇编代码

　　　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

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。