堆與棧的區(qū)別詳解

堆(heap)和棧(stack)是在計算機中常用的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它們具有不同的特點和用途，對于程序員來說，了解堆和棧的區(qū)別是非常重要的。

首先，堆和棧的內(nèi)存分配方式不同。堆是由程序員手動分配和釋放的，而棧是由操作系統(tǒng)自動分配和釋放的。在堆中，使用malloc()或new關(guān)鍵字來分配內(nèi)存空間，通過free()或delete關(guān)鍵字來釋放內(nèi)存。在棧中，變量的內(nèi)存分配和釋放是由編譯器自動完成的，無需程序員干預(yù)。

其次，堆和棧的大小不同。棧的大小是固定的，一般在程序運行時就確定了，而堆的大小是動態(tài)增長的，可以根據(jù)需要動態(tài)地申請和釋放內(nèi)存空間。

另外，堆和棧的數(shù)據(jù)訪問方式也有所不同。在堆中，數(shù)據(jù)的訪問是通過指針來實現(xiàn)的，需要通過指針尋址來訪問和操作數(shù)據(jù)。而在棧中，數(shù)據(jù)的訪問是通過變量名來實現(xiàn)的，可以直接訪問和操作變量。

堆和棧還有一個重要的區(qū)別是數(shù)據(jù)的生命周期。在堆中，數(shù)據(jù)的生命周期可以很長，需要手動釋放內(nèi)存，否則會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。而在棧中，變量的生命周期是由其所在的作用域來決定的，一旦離開作用域，變量就會被自動釋放。

在使用堆和棧時，還需要考慮到一些因素。堆是動態(tài)分配的，所以分配和釋放內(nèi)存的速度較慢，并且可能會造成內(nèi)存碎片的問題。棧是靜態(tài)分配的，所以分配和釋放內(nèi)存的速度非?？?，但是棧的大小是有限的，如果將大量的數(shù)據(jù)存儲在棧中，可能會導(dǎo)致棧溢出的問題。

在實際應(yīng)用中，堆和棧都有各自的使用場景。堆主要用于動態(tài)分配大量的內(nèi)存空間，適合存儲復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如樹、圖等。棧主要用于保存函數(shù)的局部變量、參數(shù)值等，適合存儲簡單的數(shù)據(jù)類型。

總結(jié)起來，堆和棧在內(nèi)存分配方式、大小、數(shù)據(jù)訪問方式、生命周期等方面有著不同的特點。程序員需要根據(jù)具體的需求，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)存分配方式，以提高程序的性能和效率

堆與棧的區(qū)別：空間分配棧操作系統(tǒng)自動分配釋放，堆由程序員分配釋放;緩存方式，棧使用的是一級緩存，堆則是存放在二級緩存;堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)別;管理方式不同;生長方式不同;空間大小不同;內(nèi)存速率不同;存儲內(nèi)容不同;分配方式不同。

1、堆?？臻g分配區(qū)別

棧(操作系統(tǒng))：由操作系統(tǒng)(編譯器)自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

堆(操作系統(tǒng))： 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收，分配方式倒是類似于鏈表。

2、堆棧緩存方式區(qū)別

棧使用的是一級緩存， 它們通常都是被調(diào)用時處于存儲空間中，調(diào)用完畢立即釋放。

堆則是存放在二級緩存中，生命周期由虛擬機的垃圾回收算法來決定(并不是一旦成為孤兒對象就能被回收)。所以調(diào)用這些對象的速度要相對來得低一些。

3、堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)別

堆(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))：堆可以被看成是一棵樹，如：堆排序。

棧(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))：一種先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.管理方式不同

堆是由程序員通過 調(diào)用系統(tǒng)庫函數(shù)來管理內(nèi)存，所以管理不力 就會出現(xiàn)常說的內(nèi)存泄漏

棧是由計算機系統(tǒng)分配內(nèi)存 而且系統(tǒng)有專門的寄存器存儲棧指針。

5.生長方式不同

堆是向高地址擴(kuò)展 也就是常說的向上生長。是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。

棧是向低地址擴(kuò)展 也就是常說的向下生長。 是連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。

6.空間大小不同

堆的大小 可以高達(dá) 4G 在32位Linux里系統(tǒng)有效的虛擬內(nèi)存也有3.2G

棧的大小 一般是 1M ~10M 不等(和堆相差很多)。

7.內(nèi)存速率不同

棧的內(nèi)存速率較快。前面說了 棧是系統(tǒng)分配內(nèi)存 ，而且有這FILO的出棧順序 所以棧的內(nèi)存速率快些。

堆 因為是程序員分配內(nèi)存 ，而且是由C/C++函數(shù)庫提供的。而且機制比較復(fù)雜，為了找打到一塊合適大小的內(nèi)存區(qū)域 會挨個遍歷。所以耗時也就比較多些。

8.存儲內(nèi)容不同

棧在函數(shù)調(diào)用時，首先壓入主調(diào)函數(shù)中下條指令(函數(shù)調(diào)用語句的下條可執(zhí)行語句)的地址，然后是函數(shù)實參，然后是被調(diào)函數(shù)的局部變量。本次調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的指令地址，程序由該點繼續(xù)運行下條可執(zhí)行語句。

堆通常在頭部用一個字節(jié)存放其大小，堆用于存儲生存期與函數(shù)調(diào)用無關(guān)的數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容由程序員安排。

(其實我自己的理解是棧有自己的出棧方式FILO 所以局部調(diào)用結(jié)束后就直接出棧了，然后進(jìn)行其他沒出棧的操作處理。而堆是先存需要的內(nèi)存大小，然后后面的就交給創(chuàng)建者自己處理了)

9.分配方式不同

?？伸o態(tài)分配或動態(tài)分配。靜態(tài)分配由編譯器完成，如局部變量的分配。動態(tài)分配由alloca函數(shù)在棧上申請空間，用完后自動釋放。

堆只能動態(tài)分配且手工釋放。(堆就好比OC語言里的MRC，而OC里的ARC就是蘋果幫我們處理的MRC)

1.3 堆與棧區(qū)別

堆與棧實際上是操作系統(tǒng)對進(jìn)程占用的內(nèi)存空間的兩種管理方式，主要有如下幾種區(qū)別：

(1)管理方式不同。

棧由操作系統(tǒng)自動分配釋放，無需我們手動控制;堆的申請和釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生內(nèi)存泄漏;

(2)空間大小不同。

每個進(jìn)程擁有的棧大小要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于堆大小。理論上，進(jìn)程可申請的堆大小為虛擬內(nèi)存大小，進(jìn)程棧的大小 64bits 的 Windows 默認(rèn) 1MB，64bits 的 Linux 默認(rèn) 10MB;

(3)生長方向不同。

堆的生長方向向上，內(nèi)存地址由低到高;棧的生長方向向下，內(nèi)存地址由高到低。

(4)分配方式不同。

堆都是動態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有 2 種分配方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是由操作系統(tǒng)完成的，比如局部變量的分配。動態(tài)分配由alloca()函數(shù)分配，但是棧的動態(tài)分配和堆是不同的，它的動態(tài)分配是由操作系統(tǒng)進(jìn)行釋放，無需我們手工實現(xiàn)。

(5)分配效率不同。

棧由操作系統(tǒng)自動分配，會在硬件層級對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是由C/C++提供的庫函數(shù)或運算符來完成申請與管理，實現(xiàn)機制較為復(fù)雜，頻繁的內(nèi)存申請容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。顯然，堆的效率比棧要低得多。

(6)存放內(nèi)容不同。

棧存放的內(nèi)容，函數(shù)返回地址、相關(guān)參數(shù)、局部變量和寄存器內(nèi)容等。當(dāng)主函數(shù)調(diào)用另外一個函數(shù)的時候，要對當(dāng)前函數(shù)執(zhí)行斷點進(jìn)行保存，需要使用棧來實現(xiàn)，首先入棧的是主函數(shù)下一條語句的地址，即擴(kuò)展指針寄存器的內(nèi)容(EIP)，然后是當(dāng)前棧幀的底部地址，即擴(kuò)展基址指針寄存器內(nèi)容(EBP)，再然后是被調(diào)函數(shù)的實參等，一般情況下是按照從右向左的順序入棧，之后是被調(diào)函數(shù)的局部變量，注意靜態(tài)變量是存放在數(shù)據(jù)段或者 BSS 段，是不入棧的。出棧的順序正好相反，最終棧頂指向主函數(shù)下一條語句的地址，主程序又從該地址開始執(zhí)行。堆，一般情況堆頂使用一個字節(jié)的空間來存放堆的大小，而堆中具體存放內(nèi)容是由程序員來填充的。

從以上可以看到，堆和棧相比，由于大量 malloc()/free() 或 new/delete 的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片，并且可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，效率較低。棧相比于堆，在程序中應(yīng)用較為廣泛，最常見的是函數(shù)的調(diào)用過程由棧來實現(xiàn)，函數(shù)返回地址、EBP、實參和局部變量都采用棧的方式存放。雖然棧有眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時候分配大量的內(nèi)存空間，主要還是用堆。

無論是堆還是棧，在內(nèi)存使用時都要防止非法越界，越界導(dǎo)致的非法內(nèi)存訪問可能會摧毀程序的堆、棧數(shù)據(jù)，輕則導(dǎo)致程序運行處于不確定狀態(tài)，獲取不到預(yù)期結(jié)果，重則導(dǎo)致程序異常崩潰，這些都是我們編程時與內(nèi)存打交道時應(yīng)該注意的問題。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆與棧

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，堆與棧是兩個常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，理解二者的定義、用法與區(qū)別，能夠利用堆與棧解決很多實際問題。

2.1 棧簡介

棧是一種運算受限的線性表，其限制是指只僅允許在表的一端進(jìn)行插入和刪除操作，這一端被稱為棧頂(Top)，相對地，把另一端稱為棧底(Bottom)。把新元素放到棧頂元素的上面，使之成為新的棧頂元素稱作進(jìn)棧、入棧或壓棧(Push);把棧頂元素刪除，使其相鄰的元素成為新的棧頂元素稱作出?；蛲藯?Pop)。這種受限的運算使棧擁有“先進(jìn)后出”的特性(First In Last Out)，簡稱 FILO。

棧分順序棧和鏈?zhǔn)綏煞N。棧是一種線性結(jié)構(gòu)，所以可以使用數(shù)組或鏈表(單向鏈表、雙向鏈表或循環(huán)鏈表)作為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用數(shù)組實現(xiàn)的棧叫做順序棧，使用鏈表實現(xiàn)的棧叫做鏈?zhǔn)綏?，二者的區(qū)別是順序棧中的元素地址連續(xù)，鏈?zhǔn)綏Ｖ械脑氐刂凡贿B續(xù)。