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存储管理及栈和堆的区别
作者：xcbeyond
疯狂源自梦想，技术成就辉煌！微信公众号：《程序猿技术大咖》号主，专注后端开发多年，拥有丰富的研发经验，乐于技术输出、分享，现阶段从事微服务架构项目的研发工作，涉及架构设计、技术选型、业务研发等工作。对于Java、微服务、数据库、Docker有深入了解，并有大量的调优经验。
存储管理
内存组织方式：
凡是要执行的程序代码、处理的数据都必须放置在内存中。一般操作系统将占用内存的高地址部分，而其他剩余的内存供程序和数据使用，程序不能对操作系统占用的内存进行操作。
C语言中内存分配情况：
静态存储分配，是指在编译时，就能确定每个变量在运行时刻需要占用的内存空间。对于全局变量、静态变量使用的这种方式分配。C语言程序运行时的内存分配有三种方式：静态、栈、堆。
栈式存储分配，也可以称为动态存储分配，由一个类似于堆栈的运行栈来实现。和静态存储分配不同，在栈式存储中，程序变量对内存空间的需求在编译时不进行分配，到运行时才进行具体的分配。在使用栈式存储分配时，编译器在编译时也需要知道函数所需数据区域的大小，然后，在程序运行时使用该值分配内存。C语言函数内部的局部变量都是采用栈式分配的。
堆式存储分配，堆由大片的可利用块或空闲块组成，堆中的内存可以按照任意顺序分配和释放。当在程序编译时，无法确定数据区域大小时（如可变长度的字符串），可在堆中分配内存空间。
栈（stack）和堆（heap）具体的区别:
1、在申请方式上
栈（stack）: 它由编译器自动管理，无需我们手工控制（即：在程序执行时由系统分配和回收）。 例如，声明函数中的一个局部变量 int b 系统自动在栈中为b开辟空间；在调用一个函数时，系统自动的给函数的形参变量在栈中开辟空间。
堆（heap）: 申请和释放由程序员控制（通过程序员编写代码控制），并指明大小。若程序员不释放，程序结束时，可能由操作系统回收。容易产生memory leak。
在C中使用malloc函数和free函数。
如：p1 = (char *)malloc(10);//(char )malloc(10sizeof(char));
在C++中用new运算符。
如：p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);
但是注意p1本身在栈区，而p2本身是在栈中的，只是它们指向的空间是在堆中。
2、申请后系统的响应上
栈（stack）: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（heap）: 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或free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。
3、申请大小的限制
栈（stack）:在DOS 、Windows操作系统下,栈是由高地址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，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示“堆栈溢出”。因此，能从栈获得的空间较小。 例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。
当然，我们可以修改：打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。
堆（heap）: 堆是由低地址向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域（空闲部分用链表串联起来）。正是由于系统是用链表来存储空闲内存，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
4、分配空间的效率上
栈（stack）: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：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。但程序员无法对其进行控制。
堆（heap）:是C/C++函数库提供的，由new或malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片。它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。这样可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。显然，堆的效率比栈要低得多。
5、堆和栈中的存储内容
栈（stack）:存放函数调用中的参数、函数的局部变量（静态变量不入栈），通过栈才能完成函数间调用时的现成保护。
堆（heap）: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。
6、存取效率的比较
这个应该是显而易见的。拿栈上的数组和堆上的数组来说：
void main()
{
int arr[5]={1,2,3,4,5};
int *arr1;
arr1=new int[5];
for (int j=0;j<=4;j++)
{
arr1[j]=j+6;
}
int a=arr[1];
int b=arr1[1];
}
上面代码中，arr1（局部变量）是在栈中，但是指向的空间确在堆上，两者的存取效率，当然是arr高。因为arr[1]可以直接访问，但是访问arr1[1]，首先要访问数组的起始地址arr1，然后才能访问到arr1[1]。
总而言之：
在C/C++程序中，有关内存使用的问题是最难发现和解决的。这些问题可能导致程序莫名其妙地停 止、崩溃，或者不断消耗内存直至资源耗尽。由于C/C++语言本身的特质和历史原因，程序员使用内存需要注意的事项较多，而且语言本身也不提供类似Java的垃圾清理机制。编程人员使用一定的工具来查找和调试内存相关问题是十分必要的。
总的说来，与内存有关的问题可以分成两类：内存访问错误和内存使用错误。内存访问错误包括错误地读取内存和错误地写内存。错误地读取内存可能让你的模块返回意想不到的结果，从而导致后续的模块运行异常。错误地写内存可能导致系统崩溃。内存使用方面的错误主要是指申请的内存没有正确释放，从而使程序运行逐渐减慢，直至停止。这方面的错误由于表现比较慢很难被人工察觉。程序也许运行了很久才会耗净资源，发生问题。
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（声明变量）、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。
char s1[] = ”hello”;
char s2[] = ”hello”;
cout<<(s1==s2)<<endl; //这里是0，因为s1，s2是数组形式的字符，系统会自动在栈区为其分配空间，所以s1，s2是指向不同的区域的
char *s1 = ”hello”;
char *s2 = ”hello”;
cout<<(s1==s2)<<endl; //这里是1，因为s1，s2是指针的形式的字符指针，系统为其分配的空间是在栈区的，但是“hello”是存放在常量区域的，所以s1，s2是指向同一区域的，故比较时，是相等的。
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