C/C++学习笔记15：堆区与栈区的区别

其实在说明堆栈区别的时候，不能不提到堆栈的来源，堆栈的来源往往又是内存管理中重要的一部分。

所以本节内容主要先讲述一下内存管理的基本概念、内存的分配方式、C语言编译后的可执行结构与存储结构、堆栈的区别。

1.基本的分区

其实C程序在未进入内存之前在存储时分为：代码区、数据区、未初始化数据区三个部分。

代码区：代码区主要是存放CPU执行的机器指令的。通常代码区是可以共享的，因为对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可。为了防止代码意外的修改了它的指令，因此要求代码区的内容是只读的。

数据区：该区包含了在程序中明确被初始化的全局变量、静态变量（包括全局静态变量和局部静态变量）和常量数据（如字符串常量）。

未初始化数据区：存入的是全局未初始化变量。数据在程序开始执行之前被内核初始化为0或者空指针（NULL）。

上述都是可执行代码在存储时的结构，而当可执行代码运行时的结构呢，就如下图所示：



问题一：为什么要分这么多区呢？

因为一个进程在代码执行过程中，代码根据流程依次执行，只需要访问一次，当然跳转和递归可能会执行多次，而数据一般需要访问多次，因此单独开辟空间以方便访问和节约空间。

临时数据以及需要再次使用的代码放到栈区，生命周期短。

全局数据和静态数据有可能在整个程序执行过程中都要访问，因此单独存储管理。

问题二：各个类型的数据是如何存放的，分别存放在哪个区。

这个问题完全可以重新放在一个章节中来讲，一个程序中主要涉及到了哪些变量，这些变量又分别存放在内存中的哪一个部分？

把上述的内容简单的总结一下，内存可以分为4个区

代码区：顾名思义存放运行的代码的。

全局数据区（静态区）：存放全局数据和静态数据以及一些常量

栈区：存放局部变量、函数调用时返回的地址、参数压栈、返回数据等

堆区：存放程序动态分配的内存。

其实还是不够详细，那我们再来详细的划分，这里面主要是全局数据区的部分，上面提到了区域划分的问题提到了数据区和未初始化的数据区。其实这都在全局数据区中，只是这里面有分为了相邻的两个区域。结果就成了：全局变量和静态变量的存储放在一块。初始化的全局变量和静态变量放在一块了，而未初始化的全局变量和静态变量放在另一个相邻的区域内。还有一个是专门放常量的地方。

好好区别静态局部变量，静态全局变量，局部变量，全局变量。

只要是静态变量都放在静态区，全局变量也放在静态区，但是局部变量是放在栈区。

2：内存分配方式

在C语言中主要有静态分配内存和动态分配内存的两种方式。

静态分配：编译器在处理程序源代码时分配

动态分配：程序在执行时调用malloc库函数申请分配。（这主要是在堆区）

二者的区别：

（1）静态对象有名字，可以直接对其进行操作，而动态对象没有名字的变量，只能通过指针间接的对其操作

（2）静态对象的分配与释放由编译器自动处理，而动态对象必须由程序猿显示的管理，它通过malloc（）和free两个函数（C++中为new和delete运算符来操作，C++中的new和delete可参考：/article/9222362.html）

3：堆区与栈区的区别

（1）管理方式不同

栈由编译器自动管理，无需程序员手工控制；而堆空间的申请释放工作由程序猿控制，容易产生泄露

（2）空间大小不同

栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。即：栈顶的地址和栈的最大容量由系统预设，当申请的空间超过栈的剩余空间，将溢出，用户能够从栈获得的空间较小

堆是由高地址扩展的，是不连续的内存区域。因为系统是用链表来存储空闲的地址的，且链表的遍历方向是由低地址向高地址的，由此可见，堆获得的空间灵活也较大。

（3）是否产生碎片

因为栈是一个连续的内存区域，所以不会产生碎片，而堆是不连续的，频繁的malloc和free就会造成内存不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。

（4）增长方向不同

堆的增长方向是向上的，即向着内存地址增加的方向；栈是向着低地址的方向扩展的，向着内存地址减小的方向。

（5）分配方式不同

一个是静态分配，一个是动态分配

（6）分配效率不同

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，分配专门的寄存器来存放栈的地址，压栈和出栈都有专门的指令执行，堆是由C函数库提供的，它的机制很复杂。堆的效率要比栈的效率低很多。