数据结构:栈(Stack)和堆(Heap)

news/2025/7/20 7:30:32

目录

内存(Memory)基础

程序是如何利用主存的?

🎯 静态内存分配 vs 动态内存分配 

栈(stack) 

程序执行过程与栈帧变化

 堆(Heap)

程序运行时的主存布局 


内存(Memory)基础

计算机运行程序时,需要在某个地方存储数据和指令,这个地方就是内存,也叫主存或 RAM(随机存取存储器)。

内存被划分为一个个小的单位,每个单位称为字节(byte)。

  • 1字节 = 8位(bit),每个位可以是0或1。

  • 每个字节都有一个唯一的地址,CPU通过这些地址来访问内存中的数据。

  • 内存的地址通常从0开始,依次递增。例如,主存64KB的内存,地址范围是0到65,535(因为64KB = 64 × 1024 = 65,536字节)。

你可以把内存想象成一个超大的格子仓库,每个格子能存放一个数据单位(字节),而程序运行时会不断地从这个仓库取数据、放数据。

程序是如何利用主存的?

当一个程序被加载进内存运行时,主存会被划分成几个不同的区域来完成不同的任务,常见的有三部分:

+-------------------+ ← 低地址(地址编号小)
| 代码区(Text)     | ← 存储编译后的程序指令
+-------------------+
| 栈区(Stack)      | ← 自动变量、函数调用相关的数据
|                   |
|  ↓  向下增长       |
+-------------------+
|                   |
|  ↑  向上增长       |
| 堆区(Heap)       | ← 动态分配的内存(malloc/new)
+-------------------+ ← 高地址(地址编号大)
区域作用
代码区存放程序编译后的“机器指令”,CPU会按顺序执行这些代码。
栈区存储局部变量,如函数里的变量,随着函数调用和退出自动分配和释放。
堆区程序运行时用来“手动”申请的内存区域,由程序员自己管理(使用 newmalloc 等)。

 我们来写一段简单的代码:

#include <iostream>
using namespace std;int main() {int a = 10;        // 栈上的 int 变量float* p = new float(3.14f); // 堆上的 float 变量return 0;
}

这段代码里:

🎯1. int a = 10;

  • a 是一个局部变量,在 main() 函数中声明。

  • 它会被分配在 栈区 中。

  • 如果 int 占 4 字节,比如从地址 0x1000 开始,则 a 占用地址 0x1000 ~ 0x1003

🎯2. new float(3.14f)

  • 这是通过 new 申请的内存,分配在 堆区。

  • 它返回一个指针 p,指向堆上某块内存(比如地址 0x5000),那里存着 3.14

  • p 本身是一个局部变量(指针变量),也放在 栈区,但它指向的内容在 堆区。

🔍 内存示意图 

地址        内容                所属区域
0x1000      10                 a(int 类型,栈上)
0x1004      0x5000             p(指向堆内 float 的地址,栈上)
...
0x5000      3.14               堆上 float

🎯 静态内存分配 vs 动态内存分配 

在 C/C++ 中,int 类型的大小不是写死的,而是取决于以下几个因素:

决定因素说明
平台架构32 位系统中通常是 4 字节(32 位);64 位系统也通常是 4 字节(但不一定)。
编译器的实现不同编译器(如 gcc、MSVC)可能会有不同的默认设置。
数据模型(如 LP64)C/C++ 标准没有规定 int 的精确大小,只规定了大小关系(比如 intshort)。

静态内存分配(Static Memory Allocation)

定义:在编译时确定变量的大小和存储位置,程序运行时自动分配和释放。通常发生在栈区或全局/静态区。

示例:int a = 10;

  • 变量 a 是局部变量,分配在栈上。

  • 编译器知道它的类型(int),所以知道它需要 4 个字节。

  • 编译时就决定:a 需要多大、存哪里、何时释放。

动态内存分配(Dynamic Memory Allocation)

定义:程序运行时,向堆区申请内存。程序员需要自己手动释放。

示例:float* p = new float(3.14f);

  • new float(3.14f) 会在堆上开辟 4 字节(float 大小)的空间。

  • 返回一个地址(比如 0x5000)给 pp 是一个放在栈上的指针变量。

  • 你必须 delete p; 否则会造成内存泄漏。

栈(stack) 

栈是一块在主存中专门用于管理函数调用和局部变量的区域。

它遵循的是一种 “先进后出(FILO)” 的数据结构。

在程序运行时,每次函数调用都会创建一个“栈帧(stack frame)”,这个栈帧保存:

  • 函数的参数(如 int i

  • 函数内部定义的局部变量(如 int afloat b

  • 返回地址(调用完了返回哪)

函数退出后,对应的栈帧就会被销毁,空间自动回收。

 

void fun2(int i)
{int a;
}
void fun1()
{int x;fun2(x);
}
int main()
{int a;float b;fun1();
}

程序执行过程与栈帧变化

假设系统中:

  • intfloat 都是 4 字节

  • 栈从高地址向低地址生长(这是几乎所有平台上的标准)

✅ 步骤 1:程序启动

程序开始执行 main(),栈上创建 main 的栈帧:

main 栈帧:
-----------------------
| float b (4 字节)   |
| int a   (4 字节)   |
-----------------------

✅ 步骤 2:main 调用 fun1()

此时压栈一个新的 fun1 栈帧:

fun1 栈帧:
-----------------------
| int x   (4 字节)   |
-----------------------

✅ 步骤 3:fun1 调用 fun2()

假设 fun2 中传入的参数是某个整数(比如默认是 0),再压一个 fun2 的栈帧:

fun2 栈帧:
-----------------------
| int a   (4 字节)   |
| int i   (4 字节)   | ← 这是参数 i
-----------------------

 此时,整个栈结构如下(高地址在上):

地址       内容(栈帧)     所属函数
0x7ff0     int i           ← fun2 参数
0x7fec     int a           ← fun2 局部变量
-------------------------------------
0x7fe8     int x           ← fun1 局部变量
-------------------------------------
0x7fe4     float b         ← main 局部变量
0x7fe0     int a           ← main 局部变量

函数返回后的栈变化

  • fun2() 执行完毕,它的栈帧会被销毁(ia 消失)

  • 接着 fun1() 返回,它的 x 被销毁

  • 最后 main() 结束,整个栈清空,程序结束

栈的特点总结

特点描述
自动管理函数调用时创建,返回时销毁
生命周期短局部变量只在函数内部有效
空间小但访问快通常 1~8MB,访问速度快于堆
按顺序进出(先进后出)后调用的函数先返回

 堆(Heap)

在程序运行时,堆(heap)是一块用于动态内存分配的区域,由操作系统统一管理。 

  • 与栈不同,堆上的内存不会自动释放,程序员必须手动释放(如 deletefree)。

  • 在 C++ 中,使用 new / new[] 来从堆中申请内存,使用 delete / delete[] 来释放。

 

程序运行时的主存布局 

int main() 
{int* p;p = new int[5];   // 动态申请堆上的数组delete[] p;       // 手动释放堆内存
}
栈区:
--------------------------
| p(指针,8字节)       | ← 指向堆上数组的首地址
--------------------------堆区:
--------------------------
| int[0]                 |
| int[1]                 |
| int[2]                 |
| int[3]                 |
| int[4]                 | ← 共 20 字节
--------------------------

说明:

  • p 是一个局部变量,存储在栈上。

  • new int[5] 在堆上申请了一个连续的数组。

  • p 指向这块堆内内存的起始地址。

💥 如果不 delete[] 会怎样?

如果你忘记 delete[] p;,这块堆内存将不会被释放,就造成了:

  • 内存泄漏(Memory Leak):申请的内存没人管了,程序退出前都无法使用或释放。

在长期运行的程序中,反复申请但不释放,会导致内存耗尽、程序崩溃。

文章来源:https://blog.csdn.net/2402_88047672/article/details/148353057
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