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堆和栈的理解和区别,C语言堆和栈完全攻略

在计算机领域,堆栈绝对是一个不容忽视的概念,并且在编写 C 语言程序的时候也会频繁用到。但对大多数 C 语言初学者来说,堆栈却是一个很模糊的概念。“堆栈:一种数据结构,一个在程序运行时用于存放的地方”,相信这可能是很多初学者共同的认识,这也是大部分教科书对“堆栈”的解释。

很显然,用这么简单的概括来解释“堆栈”是不合适的。要深刻认识堆和栈的概念与区别,还必须从如下两方面说起。

数据结构的堆和栈

在数据结构中,栈是一种可以实现“先进后出”(或者称为“后进先出”)的存储结构。假设给定栈 S=(a0,a1,…,an-1),则称 a0 为栈底,an-1 为栈顶。进栈则按照 a0,a1,…,an-1 的顺序进行进栈;而出栈的顺序则需要反过来,按照“后存放的先取,先存放的后取”的原则进行,则 an-1 先退出栈,然后 an-2 才能够退出,最后再退出 a0

在实际编程中,可以通过两种方式来实现:使用数组的形式来实现栈,这种栈也称为静态栈;使用链表的形式来实现栈,这种栈也称为动态栈

相对于栈的“先进后出”特性,堆则是一种经过排序的树形数据结构,常用来实现优先队列等。假设有一个集合 K={k0,k1,…,kn-1},把它的所有元素按完全二叉树的顺序存放在一个数组中,并且满足:


则称这个集合 K 为最小堆(或者最大堆)。

由此可见,堆是一种特殊的完全二叉树。其中,节点是从左到右填满的,并且最后一层的树叶都在最左边(即如果一个节点没有左儿子,那么它一定没有右儿子);每个节点的值都小于(或者都大于)其子节点的值。

内存分配中的堆和栈

在 C 语言中,内存分配方式不外乎有如下三种形式:
  1. 从静态存储区域分配:它是由编译器自动分配和释放的,即内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在,直到整个程序运行结束时才被释放,如全局变量与 static 变量。
  2. 在栈上分配:它同样也是由编译器自动分配和释放的,即在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元将被自动释放。需要注意的是,栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,它的运行效率一般很高,但是分配的内存容量有限。
  3. 从堆上分配:也被称为动态内存分配,它是由程序员手动完成申请和释放的。即程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数(如 malloc 函数)来申请任意多少的内存,使用完之后再由程序员自己负责使用内存释放函数(如 free 函数)来释放内存。也就是说,动态内存的整个生存期是由程序员自己决定的,使用非常灵活。需要注意的是,如果在堆上分配了内存空间,就必须及时释放它,否则将会导致运行的程序出现内存泄漏等错误。

由此可见,内存分配的堆栈与数据结构中所阐述的堆栈有着本质的区别,这一点千万不要混淆。同样,在内存分配中的堆和栈也存在着很大的区别,也不要混淆这两者的概念。为了加深理解,看下面一段示例代码:
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
int main(void)
{
    /*在栈上分配*/
    int  i1=0;
    int  i2=0;
    int  i3=0;
    int  i4=0;
    printf("栈:向下\n");
    printf("i1=0x%08x\n",&i1);
    printf("i2=0x%08x\n",&i2);
    printf("i3=0x%08x\n",&i3);
    printf("i4=0x%08x\n\n",&i4);
     printf("--------------------\n\n");
    /*在堆上分配*/
    char  *p1 = (char *)malloc(4);
    char  *p2 = (char *)malloc(4);
    char  *p3 = (char *)malloc(4);
    char  *p4 = (char *)malloc(4);
    printf("p1=0x%08x\n",p1);
    printf("p2=0x%08x\n",p2);
    printf("p3=0x%08x\n",p3);
    printf("p4=0x%08x\n",p4);
    printf("堆:向上\n\n");
    /*释放堆内存*/
    free(p1);
    p1=NULL;
    free(p2);
    p2=NULL;
    free(p3);
    p3=NULL;
    free(p4);
    p4=NULL;
    return 0;
}
该示例代码主要演示了在内存分配中的堆和栈的区别,其运行结果为:

栈:向下
i1=0x0060fefc
i2=0x0060fef8
i3=0x0060fef4
i4=0x0060fef0

--------------------

p1=0x00bd14e0
p2=0x00bd3148
p3=0x00bd3158
p4=0x00bd3168
堆:向上


从运行结果中不难发现,内存中的栈区主要用于分配局部变量空间,处于相对较高的地址,其栈地址是向下增长的;而堆区则主要用于分配程序员申请的内存空间,堆地址是向上增长的。

内存分配中的栈与堆主要存在如下区别。

1) 分配与释放方式

栈内存是由编译器自动分配与释放的,它有两种分配方式:静态分配动态分配
  • 静态分配是由编译器自动完成的,如局部变量的分配(即在一个函数中声明一个 int 类型的变量i时,编译器就会自动开辟一块内存以存放变量 i)。与此同时,其生存周期也只在函数的运行过程中,在运行后就释放,并不可以再次访问。
  • 动态分配由 alloca 函数进行分配,但是栈的动态分配与堆是不同的,它的动态分配是由编译器进行释放,无需任何手工实现。值得注意的是,虽然用 alloca 函数可以实现栈内存的动态分配,但 alloca 函数的可移植性很差,而且在没有传统堆栈的机器上很难实现。因此,不宜使用于广泛移植的程序中。当然,完全可以使用 C99 中的变长数组来替代 alloca 函数。

而堆内存则不相同,它完全是由程序员手动申请与释放的,程序在运行的时候由程序员使用内存分配函数(如 malloc 函数)来申请任意多少的内存,使用完再由程序员自己负责使用内存释放函数(如 free 函数)释放内存,如下面的代码所示:

/*分配堆内存*/
char  *p1 = (char *)malloc(4);
… …
/*释放堆内存*/
free(p1);
p1=NULL;

对栈内存的自动释放而言,虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问,但是,如果一旦忘记了释放堆内存,那么将会造成内存泄漏,导致程序出现致命的潜在错误。

2) 分配的碎片问题

对堆来说,频繁分配和释放(malloc / free)不同大小的堆空间势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量碎片,导致程序效率降低;而对栈来讲,则不会存在这个问题。

3) 分配的效率

大家都知道,栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持,例如,分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的执行指令,这就决定了栈的效率比较高。一般而言,只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统就将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。

而堆则不同,它是由 C/C++ 函数库提供的,它的机制也相当复杂。例如,为了分配一块堆内存,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节点,然后将该节点从空闲节点链表中删除,并将该节点的空间分配给程序。而对于大多数系统,会在这块内存空间的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的 delete 语句才能正确释放本内存空间。另外,由于找到的堆节点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动将多余的那部分重新放入空闲链表中。很显然,堆的分配效率比栈要低得多。

4) 申请的大小限制

由于操作系统是用链表来存储空闲内存地址(内存区域不连续)的,同时链表的遍历方向是由低地址向高地址进行的。因此,堆内存的申请大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。

而栈则不同,它是一块连续的内存区域,其地址的增长方向是向下进行的,向内存地址减小的方向增长。由此可见,栈顶的地址和栈的最大容量一般都是由系统预先规定好的,如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将会提示溢出错误。由此可见,相对于堆,能够从栈中获得的空间相对较小。

5) 存储的内容

对栈而言,一般用于存放函数的参数与局部变量等。例如,在函数调用时,第一个进栈的是(主函数中的)调用处的下一条指令(即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 C 编译器中,参数是由右往左入栈的,最后是函数中的局部变量(注意 static 变量是不入栈的)。

当本次函数调用结束后,遵循“先进后出”(或者称为“后进先出”)的规则,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始保存的地址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行。下面的示例代码可以清晰反映这种入栈顺序:
void f(int i)
{
    printf("%d,%d,%d,%d\n", i, i++, i++, i++);
}
int main(void)
{
    int i = 1;
    f(i);
    return 0;
}
由于栈的“先进后出”规则,所以程序最后的输出结果是“4,3,2,1”。

对堆而言,具体存储内容由程序员根据需要决定存储数据。

最后介绍一下 C 语言中各类型变量的存储位置和作用域。
  • 全局变量。从静态存储区域分配,其作用域是全局作用域,也就是整个程序的生命周期内都可以使用。与此同时,如果程序是由多个源文件构成的,那么全局变量只要在一个文件中定义,就可以在其他所有的文件中使用,但必须在其他文件中通过使用extern关键字来声明该全局变量。
  • 全局静态变量。从静态存储区域分配,其生命周期也是与整个程序同在的,从程序开始到结束一直起作用。但是与全局变量不同的是,全局静态变量作用域只在定义它的一个源文件内,其他源文件不能使用。
  • 局部变量。从栈上分配,其作用域只是在局部函数内,在定义该变量的函数内,只要出了该函数,该局部变量就不再起作用,该变量的生命周期也只是和该函数同在。
  • 局部静态变量。从静态存储区域分配,其在第一次初始化后就一直存在直到程序结束,该变量的特点是其作用域只在定义它的函数内可见,出了该函数就不可见了。