嵌入式面试八股文（五）·一文带你详细了解程序内存分区中的堆与栈的区别
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堆（Heap）和栈（Stack）是计算机内存管理中两个重要的概念，它们在数据存储、生命周期和访问方式上有着显著的区别，在理解这两个概念时，需要放到具体的场景下，因为不同场景下，堆与栈代表不同的含义。一般情况下，有两层含义：
（1）程序内存布局场景下，堆与栈表示两种内存管理方式。
（2）数据结构场景下，堆与栈表示两种常用的数据结构。
二者又有不同的使用场景：
栈（Stack）：在函数调用时，参数和局部变量的存储；递归算法的实现；临时数据的快速处理。
堆（Heap）：存储大规模数据结构，如动态数组、链表、树等；在运行时需要创建对象或数据结构但其大小无法预先确定的情况。
栈适合用于小规模、短生命周期的数据，自动管理，速度快，但空间有限。
堆适合用于大规模、长生命周期的数据，灵活性高，但需要手动管理。
1. 栈的工作原理
1.1 内存分配
在函数调用时，操作系统会为该函数分配栈空间，用于存储局部变量、参数以及返回地址等。
每当一个新的函数被调用时，一个新的栈帧（stack frame）会被创建，这个栈帧包含了该函数的所有局部变量和参数。
在编程中，每当一个函数被调用时，操作系统会为该函数分配一段栈空间，通常称为“栈帧”。
代码示例：
#include <stdio.h>
void exampleFunction(int a, int b) {
int sum = a + b; // 局部变量
printf("Sum: %d\n", sum);
printf("Address of a: %p\n", (void*)&a);
printf("Address of b: %p\n", (void*)&b);
printf("Address of sum: %p\n", (void*)&sum);
}
int main() {
int x = 5; // 主函数的局部变量
int y = 10; // 主函数的局部变量
exampleFunction(x, y); // 调用函数
return 0;
}对以上代码，当 exampleFunction 被调用时，操作系统为其分配一个栈帧。参数 a 和 b 会被压入栈中。在上面的例子中，x 和 y 的值（5 和 10）将被传递到函数的栈帧中。局部变量 sum 会在栈帧中分配一定的内存空间。在调用 exampleFunction 时，当前执行位置的地址会被保存到栈中，以便函数执行结束后能够返回到正确的位置。
通常情况下，生长方向是向下（地址减小），这意味着新分配的栈空间地址会比之前的地址小。栈帧的简化示意图如下：
|----------------- |
| sum (局部) | <- exampleFunction 的栈帧顶部
|------------------|
| b (参数) |
|------------------|
| a (参数) |
|------------------|
| 返回地址 (main) | <- 上一个函数（main）的栈帧
|------------------|
这里我们可以看到sum的内存地址比a和b的小，但是我们又会发现一个问题，不是说先分配的内存大吗？为什么b的要比a的大，这是因为编译器在生成代码时可能会根据调用约定、优化策略等因素，调整数据在栈中的布局。比如，有时候局部变量可能会按特定顺序排列，以提高访问效率，这就导致了b的内存地址比a的大。
1.2 地址生长方向
通常，栈是向低地址生长的，也就是说，后定义的变量会占用较低的内存地址。
例如，在你的代码示例中，char s[] = "abc"; 会比 int b; 先被分配，因此 s 的地址会低于 b 的地址。
代码示例：
#include <stdio.h>
int main() {
int b; // 栈变量
char s[] = "abc"; // 栈变量，存放字符串
char* p2; // 栈变量，指针声明，未初始化
printf("Address of b: %p\n", (void*)&b);
printf("Address of s: %p\n", (void*)&s);
printf("Address of p2: %p\n", (void*)&p2);
return 0;
}
这个并没有按照向低地址生长，具体原因同上，编译器为了优化或满足对齐要求，可能改变了变量在栈中的排列顺序。
1.3 生命周期
栈中存储的变量在函数执行期间存在，一旦函数执行结束，栈帧被销毁，所有局部变量的内存会被释放，生命周期结束。
这意味着栈中的数据不需要开发者手动管理，简单而且高效。
代码示例：
#include <stdio.h>
void exampleFunction() {
int localVar = 10; // 局部变量在栈中创建
printf("Local variable value: %d\n", localVar);
}
int main() {
exampleFunction(); // 调用函数
// 在此处 localVar 不再可用
// printf("%d\n", localVar); // 这行会导致编译错误
return 0;
}
当 exampleFunction 执行完毕后，其栈帧被销毁，localVar 的内存被释放。
如果尝试在 main 中访问 localVar（如注释中的 printf），将会导致编译错误，因为 localVar 超出了作用域。
2. 堆的工作原理
2.1 动态内存分配
动态内存分配是指在程序运行时根据需要申请和释放内存的能力，这对于处理不确定大小的数据结构非常重要。在 C 语言中，常用的动态内存管理函数包括 malloc、calloc、realloc 和 free。下面是这些函数的简要说明及其用法示例。
2.1.1 malloc函数
用途：分配指定大小的内存块。
返回值：返回指向分配内存块的指针，如果失败则返回 NULL。
int *arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));
2.1.2 calloc函数
用途：分配内存块并初始化为零。
参数：第一个参数是要分配的元素个数，第二个参数是每个元素的大小。
返回值：返回指向分配内存块的指针，如果失败则返回 NULL。
int *arr = (int *)calloc(n, sizeof(int));
2.1.3 realloc函数
用途：重新调整已分配内存块的大小。
参数：第一个参数是之前分配的指针，第二个参数是新的大小。
返回值：返回指向新内存块的指针，如果失败则返回 NULL，原内存块保持不变。
arr = (int *)realloc(arr, newSize * sizeof(int));
2.1.4 free函数
用途：释放之前分配的内存块。
参数：要释放的指针。
free(arr);
代码示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int n;
printf("请输入元素的数量：");
scanf("%d", &n);
// 使用 malloc 分配内存
int *arr = (int *)malloc(n * sizeof(int));//若内存分配失败，返回值为NULL
if (arr == NULL) //判断内存是否分配成功
{
printf("内存分配失败！\n");
return 1; // 错误处理
}
// 初始化数组
for (int i = 0; i < n; i++)
{
arr[i] = i + 1;
}
// 打印数组
printf("数组元素： ");
for (int i = 0; i < n; i++)
{
printf("%d ", arr[i]);
}
printf("\n");
// 重新分配内存
printf("输入新大小： ");
int newSize;
scanf("%d", &newSize);
arr = (int *)realloc(arr, newSize * sizeof(int));
if (arr == NULL)
{
printf("重新分配失败！\n");
return 1; // 错误处理
}
// 如果增加了大小，初始化新元素
for (int i = n; i < newSize; i++)
{
arr[i] = 0; // 或其他值
}
// 打印新的数组
printf("新数组元素： ");
for (int i = 0; i < newSize; i++)
{
printf("%d ", arr[i]);
}
printf("\n");
// 释放内存
free(arr);
return 0;
}
2.2 生命周期管理
手动管理内存：在堆中分配的内存块不会在程序结束时自动释放，开发者需要使用 free 函数显式释放不再需要的内存。
避免内存泄漏：如果未能适时释放已分配的内存，会导致内存泄漏，进而降低程序的性能，甚至导致系统崩溃。
最佳实践：在每次调用内存分配函数（如 malloc、calloc 或 realloc）后，确保在适当的时候使用 free 释放内存。
2.3 地址生长方向
堆的内存地址生长方向与栈相反，由低到高，但需要注意的是，后申请的内存空间并不一定在先申请的内存空间的后面，即 p2 指向的地址并不一定大于 p1 所指向的内存地址，原因是先申请的内存空间一旦被释放，后申请的内存空间则会利用先前被释放的内存，从而导致先后分配的内存空间在地址上不存在先后关系。堆中存储的数据若未释放，则其生命周期等同于程序的生命周期。
3. 堆与栈区别
3.1 管理方式不同
栈：由操作系统自动分配和释放，无需程序员手动管理。
堆：由程序员手动申请和释放，容易导致内存泄漏。
3.2 空间大小不同
栈：通常较小，受限于每个进程的栈大小（例如，Windows 默认 1MB，Linux 默认 10MB）。
堆：理论上可以使用的空间较大，取决于虚拟内存的大小。
3.3 生长方向不同
栈：向下生长，地址从高到低。
堆：向上生长，地址从低到高。
3.4 分配方式不同
栈：支持静态和动态分配。静态分配用于局部变量，动态分配通过 alloca() 函数实现。
堆：仅支持动态分配，由程序员通过库函数或运算符进行管理。
3.5 分配效率不同
栈：由于有硬件支持和专门指令，分配和释放效率较高。
堆：由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制复杂，频繁分配可能导致内存 碎片，效率较低。
3.6 存放内容不同
栈：栈存放的内容，函数返回地址、相关参数、局部变量和寄存器内容等。当主函数调用另外一个函数的时候，要对当前函数执行断点进行保存，需要使用栈来实现，首先入栈的是主函数下一条语句的地址，即扩展指针寄存器的内容（EIP），然后是当前栈帧的底部地址，即扩展基址指针寄存器内容（EBP），再然后是被调函数的实参等，一般情况下是按照从右向左的顺序入栈，之后是被调函数的局部变量，注意静态变量是存放在数据段或者 BSS 段，是不入栈的。出栈的顺序正好相反，最终栈顶指向主函数下一条语句的地址，主程序又从该地址开始执行。
简单点来说，存放函数返回地址、参数、局部变量等。每个函数调用会创建一个新的栈帧。
堆：存放由程序员动态分配的数据，具体内容由程序员控制。
原文地址：https://blog.csdn.net/MANONGDKY/article/details/142727415
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