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python堆和棧的區別有哪些

堆(Heap)與棧(Stack)是開發人員必須面對的兩個概念,在理解這兩個概念時,需要放到具體的場景下,因為不同場景下,堆與棧代表不同的含義。壹般情況下,有兩層含義:

(1)程序內存布局場景下,堆與棧表示的是兩種內存管理方式;

(2)數據結構場景下,堆與棧表示兩種常用的數據結構。

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堆與棧實際上是操作系統對進程占用的內存空間的兩種管理方式,主要有如下幾種區別:

(1)管理方式不同。棧由操作系統自動分配釋放,無需我們手動控制;堆的申請和釋放工作由程序員控制,容易產生內存泄漏;

(2)空間大小不同。每個進程擁有的棧的大小要遠遠小於堆的大小。理論上,程序員可申請的堆大小為虛擬內存的大小,進程棧的大小 64bits 的 Windows 默認 1MB,64bits 的 Linux 默認 10MB;

(3)生長方向不同。堆的生長方向向上,內存地址由低到高;棧的生長方向向下,內存地址由高到低。

(4)分配方式不同。堆都是動態分配的,沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式:靜態分配和動態分配。靜態分配是由操作系統完成的,比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配,但是棧的動態分配和堆是不同的,他的動態分配是由操作系統進行釋放,無需我們手工實現。

(5)分配效率不同。棧由操作系統自動分配,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++提供的庫函數或運算符來完成申請與管理,實現機制較為復雜,頻繁的內存申請容易產生內存碎片。顯然,堆的效率比棧要低得多。

(6)存放內容不同。棧存放的內容,函數返回地址、相關參數、局部變量和寄存器內容等。當主函數調用另外壹個函數的時候,要對當前函數執行斷點進行保存,需要使用棧來實現,首先入棧的是主函數下壹條語句的地址,即擴展指針寄存器的內容(EIP),然後是當前棧幀的底部地址,即擴展基址指針寄存器內容(EBP),再然後是被調函數的實參等,壹般情況下是按照從右向左的順序入棧,之後是被調函數的局部變量,註意靜態變量是存放在數據段或者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下壹條語句的地址,主程序又從該地址開始執行。堆,壹般情況堆頂使用壹個字節的空間來存放堆的大小,而堆中具體存放內容是由程序員來填充的。

從以上可以看到,堆和棧相比,由於大量malloc()/free()或new/delete的使用,容易造成大量的內存碎片,並且可能引發用戶態和核心態的切換,效率較低。棧相比於堆,在程序中應用較為廣泛,最常見的是函數的調用過程由棧來實現,函數返回地址、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,但是由於和堆相比不是那麽靈活,有時候分配大量的內存空間,主要還是用堆。

無論是堆還是棧,在內存使用時都要防止非法越界,越界導致的非法內存訪問可能會摧毀程序的堆、棧數據,輕則導致程序運行處於不確定狀態,獲取不到預期結果,重則導致程序異常崩潰,這些都是我們編程時與內存打交道時應該註意的問題。

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