C++堆和栈的区别与联系讲解

C++中，内存分为5个区：堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

• 栈：是由编译器在需要时自动分配，不需要时自动清除的变量存储区。通常存放局部变量、函数参数等。
• 堆：是由new分配的内存块，由程序员释放（编译器不管），一般一个new与一个delete对应，一个new[]与一个delete[]对应。如果程序员没有释放掉，        资源将由操作系统在程序结束后自动回收。
• 自由存储区：是由malloc等分配的内存块，和堆十分相似，用free来释放。
• 全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中（在C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，C++中没有这一区分）。
• 常量存储区：这是一块特殊存储区，里边存放常量，不允许修改。

（注意：堆和自由存储区其实不过是同一块区域，new底层实现代码中调用了malloc，new可以看成是malloc智能化的高级版本）

一. 堆与栈的讨论：

•  管理方式：堆中资源由程序员控制（容易产生memory leak）， 栈资源由编译器自动管理，无需手工控制。
•  系统响应：对于堆，应知道系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序申请时，遍历该链表，寻找第一个空间大于申请空间的堆结点，删    除空闲结点链表中的该结点，并将该结点空间分配给程序（大多数系统会在这块内存空间首地址记录本次分配的大小，这样delete才能正确释放本内存  空间，另外系统会将多余的部分重新放入空闲链表中）。对于栈，只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统为程序提供内存，否则报异常提示栈出。
•  空间大小： 堆是不连续的内存区域（因为系统是用链表来存储空闲内存地址，自然不是连续的），堆大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存（32bit  系统理论上是4G），所以堆的空间比较灵活，比较大。栈是一块连续的内存区域，大小是操作系统预定好的，windows下栈大小是2M（也有是1M，在  编译时确定，VC中可设置）。
•  碎片问题：对于堆，频繁的new/delete会造成大量碎片，使程序效率降低。 对于栈，它是一个先进后出的队列，进出一一对应，不会产生碎片。
•  生长方向：堆向上，向高地址方向增长。栈向下，向低地址方向增长。
•  分配方式： 堆都是动态分配（没有静态分配的堆）。栈有静态分配和动态分配，静态分配由编译器完成（如局部变量分配），动态分配由alloca函数  分    配，但栈的动态分配的资源由编译器进行释放，无需程序员实现。
•  分配效率：堆由C/C++函数库提供，机制很复杂。所以堆的效率比栈低很多。栈是极其系统提供的数据结构，计算机在底层对栈提供支持，分配专门  寄存  器存放栈地址，栈操作有专门指令。

二. 程序示例

通过下面的程序可以更好的对上面的概念进行理解。

int  b;  
//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。
}

小结：

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！)

总结