堆栈的详细讲解

在讲解堆栈之前,先让我们对堆栈有一个感性的认识

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。

再了解一下堆栈的定义和函数调用的过程中堆栈的样子

记住堆栈定义中标黄的重点,对理清函数调用过程帮助非常大。

堆栈的定义:堆栈是一种数据结构,具体是一个特定的存储区或寄存器。堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构。只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除,也就是它的一端是固定的,另一端(栈顶)是浮动的 ,严格按照“先进后出”的原则存取,位于其中间的元素,必须在其栈上部(后进栈者)诸元素逐个移出后才能取出。因而栈顶地址总是小于等于栈的基地址。

#include <stdio.h>
void __stdcall func(int param1,int param2,int param3)
{
    int var1=param1;
    int var2=param2;
    int var3=param3;
    printf("0x%08x\n",param1); //打印出各个变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",param2);
    printf("0x%08x\n\n",param3);
    printf("0x%08x\n",&var1);
    printf("0x%08x\n",&var2);
    printf("0x%08x\n\n",&var3);
    return;
}

int main() {
    func(1,2,3);
    return 0;
}

编译后的执行结果是:

0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80

0x0012ff68
0x0012ff6c
0x0012ff70
├———————┤<—函数执行时的栈顶(ESP)、低端内存区域
│ …… │
├———————┤
│ var 1 │
├———————┤
│ var 2 │
├———————┤
│ var 3 │
├———————┤
│ RET │
├———————┤<—“__cdecl”函数返回后的栈顶(ESP)
│ parameter 1 │
├———————┤
│ parameter 2 │
├———————┤
│ parameter 3 │
├———————┤<—“__stdcall”函数返回后的栈顶(ESP)
│ …… │
├———————┤<—栈底(基地址 EBP)、高端内存区域

步骤1:三个参数以从右到左的次序压入堆栈,先压“param3”,再压“param2”,最后压入“param1”;
步骤2:压入函数的返回地址(RET),接着跳转到函数地址接着执行;
步骤3:将栈顶(ESP)减去一个数,为本地变量分配内存空间,上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4,每个int变量占用4个字节);接着就初始化本地变量的内存空间。

最后看看具体堆栈的区别

两者的定义:

  1. 栈区:存放自动变量。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由编译器自动释放。栈存放函数的参数值,局部变量的值等。
  2. 堆区(自由存储区):在运行的时候调用程序(如C中的malloc或C++中的new)分配内存,可以在任何时候决定分配内存及分配的大小,用户自己负责在何时释放内存(如用free或delete)。堆中的所有东西都是匿名的,这样不能按名字访问,而只能通过指针访问

具体的区别:
申请方式:
栈区:由系统自动分配。 例如,声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。
堆区:需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数
如p = (char *)malloc(10);但是注意p本身是在栈中的。
申请后系统的响应:
栈区: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。
堆区: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。
申请大小的限制:
栈区在Windows下,栈是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,在WINDOWS下,栈的大小是2M(也有的说是1M,总之是一个编译时就确定的常数),如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。因此,能从栈获得的空间较小。
堆区堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。
申请效率的比较:
栈区:栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
堆区:堆由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活。
堆和栈中的存储内容:
栈区在函数调用时,第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(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,在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈的,然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存的地址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行
堆区: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。
存取效率的比较:
栈区:char *s2 = “bbbbbbbbbbbbbbbbb”;bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;要先把指针值读到edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。然而,在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。
堆区:char s1[] = “aaaaaaaaaaaaaaa”; aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的;读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,显然比较快。

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