程序運行時的堆棧與數據結構中的堆棧有何分別


程序運行時的堆棧是指向已經實現堆棧結構的內存空間。

 

數據結構中的堆棧只是單純的數據結構。

 

就好像我們常說某某cpu采用了啥啥架構,其中架構是數據結構,cpu采用啥架構是實現了堆棧結構的內存空間。

 

數據結構是存在於腦海中的即思想,思想最是無力,這時的它就像我們男孩在最窮的時候遇到了那個她。

而當我們有能力的時候,我們就知道數據結構與算法有多迷人了...

 

因為數據結構的實現也僅僅是提供了個內存空間的不同划分,我們還得有算法去找到這個遵從某種數據結構的內存空間中各個結點的數據。兩者互為表里,缺一不可。但數據結構與算法還是存在於思想中,它只是告訴我們怎么對數據進行分類架構,以及架構好如何找到該數據。思想要結合實際需求,落實行動才能綻放它的偉光。

 

以下關於堆棧的理解摘自 https://java-true.iteye.com/blog/1181663 

 


 

 棧與堆都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同,Java自動管理棧和堆,程序員不能直接地設置棧或堆。 


Java的堆是一個運行時數據區,類的(對象從中分配空間。這些對象通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立,它們不需要程序代碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的,堆的優勢是可以動態地分配內存大小,生存期也不必事先告訴編譯器,因為它是在運行時動態分配內存的,Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是,由於要在運行時動態分配內存,存取速度較慢。

 
棧的優勢是,存取速度比堆要快,僅次於寄存器,棧數據可以共享。但缺點是,存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的,缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量(,int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和對象句柄。 


棧有一個很重要的特殊性,就是存在棧中的數據可以共享。假設我們同時定義: 
int a = 3; 
int b = 3; 


編譯器先處理int a = 3;首先它會在棧中創建一個變量為a的引用,然后查找棧中是否有3這個值,如果沒找到,就將3存放進來,然后將a指向3。接着處理int b = 3;在創建完b的引用變量后,因為在棧中已經有3這個值,便將b直接指向3。這樣,就出現了a與b同時均指向3的情況。 
這時,如果再令a=4;那么編譯器會重新搜索棧中是否有4值,如果沒有,則將4存放進來,並令a指向4;如果已經有了,則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。 


要注意這種數據的共享與兩個對象的引用同時指向一個對象的這種共享是不同的,因為這種情況a的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的,它有利於節省空間。而一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態,會影響到另一個對象引用變量。

 
String是一個特殊的包裝類數據。可以用: 
String str = new String("abc"); 
String str = "abc"; 


兩種的形式來創建,第一種是用new()來新建對象的,它會在存放於堆中。每調用一次就會創建一個新的對象。 
而第二種是先在棧中創建一個對String類的對象引用變量str,然后查找棧中有沒有存放"abc",如果沒有,則將"abc"存放進棧,並令str指向”abc”,如果已經有”abc” 則直接令str指向“abc”。 


比較類里面的數值是否相等時,用equals()方法;當測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時,用==,下面用例子說明上面的理論。 
String str1 = "abc"; 
String str2 = "abc"; 
System.out.println(str1==str2); //true 
可以看出str1和str2是指向同一個對象的。 


String str1 =new String ("abc"); 
String str2 =new String ("abc"); 
System.out.println(str1==str2); // false 


用new的方式是生成不同的對象。每一次生成一個。 
因此用第二種方式創建多個”abc”字符串,在內存中其實只存在一個對象而已. 這種寫法有利與節省內存空間. 同時它可以在一定程度上提高程序的運行速度,因為JVM會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對於String str = new String("abc");的代碼,則一概在堆中創建新對象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要創建新對象,從而加重了程序的負擔。 


另一方面, 要注意: 我們在使用諸如String str = "abc";的格式定義類時,總是想當然地認為,創建了String類的對象str。擔心陷阱!對象可能並沒有被創建!而可能只是指向一個先前已經創建的對象。只有通過new()方法才能保證每次都創建一個新的對象。 
由於String類的immutable性質,當String變量需要經常變換其值時,應該考慮使用StringBuffer類,以提高程序效率。

 
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Java虛擬機提供了程序運行時環境,運行時環境中最重要的一個資源是運行時數據區。 
運行時數據區是操作系統為Java虛擬機進程分配的內存區域,並由虛擬機管轄,同時這塊區域又分為若干個子區域, 
主要包括堆區、方法區和Java棧區。 
在堆區中存放對象, 
在方法區存放類的類型信息,類型信息包括靜態變量和方法信息,方法信息中包含類的所有方法的字節碼。

棧,有個特點,先進去的后出來,里邊放的是進程中正在執行的方法, 
比如說方法 


public void A(){ 
    B(); 

public void B(){ 
    C(); 

public void C(){ 


假設一個程序只調用A()方法,(開始時棧是空的): 

程序運行的時候,先執行A()方法,因為A方法調用了B()方法,這時因為A()沒有執行完,中斷A()方法,將其放入棧中暫存,(此時因為棧原來是空的,A方法被push進棧后,位於棧底),執行B()方法,執行時因為B方法調用了C()方法,此時中斷B方法的執行,將B()方法push入棧,由於棧中已經有A方法,B被push進去后,位於A的上面;C()方法執行完后,去棧中查找位於棧頂的方法,查到是方法B,方法B繼續執行,執行完后再去棧中查找位於棧頂的方法,此時棧內只又一個方法,那就是方法A,方法A有繼續執行,A執行完后,棧中已經沒有方法,程序運行結束。 

假設下邊這個柱狀的東西是棧 
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|  | 
|B()|---位於棧口最近的方法先被pop出來執行完成 
|A()|---棧底的方法最后執行完 
——— 

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java 的堆是一個運行時數據區,類的(對象從中分配空間。這些對象通過new、newarray等指令建立,它們不需要程序代碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的,堆的優勢是可以動態地分配內存大小,生存期也不必事先告訴編譯器,因為它是在運行時動態分配內存的,Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是,由於要在運行時動態分配內存,存取速度較慢。 
棧的優勢是,存取速度比堆要快,僅次於寄存器,棧數據可以共享。但缺點是,存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的,缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量(,int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和對象句柄。 

基本數據類型存儲在“棧”中,對象引用類型實際存儲在“堆”中,在棧中只是保留了引用內存的地址值。


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棧中的數據占內存大小在編譯時是確定的,比如一個int類型就占4B,所以變量地址好計算,所以分配和銷毀和訪問速度都比較快. 
堆中的數據占內存大小一般在編譯時是不確定的,在運行時才能知道大小,所以其地址只有在運行時計算,而且運行時可能占內存大小還有變動,所以對這樣的數據的分配,銷毀和訪問都非常不方便,速度也慢一些. 


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棧里放的是地址,堆里可以放數據也可以放地址(想象下堆里的東西也有可能指向別的地方) 
每個地址都會指向給定的數據,不然就沒有存在的必要了,同樣的道理,堆中的數據沒有被指針指向的話,也沒有存在的必要了,所以當obj=null時就釋放內存了。 
Java有個好處就是沒有指針,Java中的傳遞的都是傳引用,不像c++還能傳地址,比如指針p++和p+1兩個的結果完全不同。 


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棧是編譯時分配空間,而堆是動態分配(運行時分配空間),所以棧的速度快 
cpu有專門的寄存器(esp,ebp)來操作棧,堆都是使用間接尋址的。棧快點。

 

 


 

以下是另一種通俗易懂關於堆棧的理解(摘自: https://blog.csdn.net/wolenski/article/details/7951961)

 

在計算機領域,堆棧是一個不容忽視的概念,我們編寫的C語言程序基本上都要用到。但對於很多的初學着來說,堆棧是一個很模糊的概念。堆棧:一種數據結構、一個在程序運行時用於存放的地方,這可能是很多初學者的認識,因為我曾經就是這么想的和匯編語言中的堆棧一詞混為一談。我身邊的一些編程的朋友以及在網上看帖遇到的朋友中有好多也說不清堆棧,所以我想有必要給大家分享一下我對堆棧的看法,有說的不對的地方請朋友們不吝賜教,這對於大家學習會有很大幫助。

數據結構的棧和堆

  首先在數據結構上要知道堆棧,盡管我們這么稱呼它,但實際上堆棧是兩種數據結構:堆和棧。

  堆和棧都是一種數據項按序排列的數據結構。

棧就像裝數據的桶或箱子
  我們先從大家比較熟悉的棧說起吧,它是一種具有后進先出性質的數據結構,也就是說后存放的先取,先存放的后取。這就如同我們要取出放在箱子里面底下的東西(放入的比較早的物體),我們首先要移開壓在它上面的物體(放入的比較晚的物體)。

堆像一棵倒過來的樹
而堆就不同了,堆是一種經過排序的樹形數據結構,每個結點都有一個值。通常我們所說的堆的數據結構,是指二叉堆。堆的特點是根結點的值最小(或最大),且根結點的兩個子樹也是一個堆。由於堆的這個特性,常用來實現優先隊列,堆的存取是隨意,這就如同我們在圖書館的書架上取書,雖然書的擺放是有順序的,但是我們想取任意一本時不必像棧一樣,先取出前面所有的書,書架這種機制不同於箱子,我們可以直接取出我們想要的書。

內存分配中的棧和堆

  然而我要說的重點並不在這,我要說的堆和棧並不是數據結構的堆和棧,之所以要說數據結構的堆和棧是為了和后面我要說的堆區和棧區區別開來,請大家一定要注意。

  下面就說說C語言程序內存分配中的堆和棧,這里有必要把內存分配也提一下,大家不要嫌我啰嗦,一般情況下程序存放在Rom或Flash中,運行時需要拷到內存中執行,內存會分別存儲不同的信息,如下圖所示:



  內存中的棧區處於相對較高的地址以地址的增長方向為上的話,棧地址是向下增長的。

棧中分配局部變量空間,堆區是向上增長的用於分配程序員申請的內存空間。另外還有靜態區是分配靜態變量,全局變量空間的;只讀區是分配常量和程序代碼空間的;以及其他一些分區。

來看一個網上很流行的經典例子:

main.cpp  
int a = 0; 全局初始化區  
char *p1; 全局未初始化區  
main()  
{  
int b; 棧  
char s[] = "abc"; 棧  
char *p2; 棧  
char *p3 = "123456"; 123456\0在常量區,p3在棧上。  
static int c =0; 全局(靜態)初始化區  
p1 = (char *)malloc(10); 堆  
p2 = (char *)malloc(20); 堆  
}

0.申請方式和回收方式不同
  不知道你是否有點明白了,堆和棧的第一個區別就是申請方式不同:棧(英文名稱是stack)是系統自動分配空間的,例如我們定義一個 char a;系統會自動在棧上為其開辟空間。而堆(英文名稱是heap)則是程序員根據需要自己申請的空間,例如malloc(10);開辟十個字節的空間。由於棧上的空間是自動分配自動回收的,所以棧上的數據的生存周期只是在函數的運行過程中,運行后就釋放掉,不可以再訪問。而堆上的數據只要程序員不釋放空間,就一直可以訪問到,不過缺點是一旦忘記釋放會造成內存泄露。還有其他的一些區別我認為網上的朋友總結的不錯這里轉述一下:

1.申請后系統的響應

棧:只要棧的剩余空間大於所申請空間,系統將為程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。

堆:首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所申請空間的堆。

  結點,然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序,另外,對於大多數系統,會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的 delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。  
  也就是說堆會在申請后還要做一些后續的工作這就會引出申請效率的問題。


2.申請效率的比較
根據第0點和第1點可知。


棧:由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。

堆:是由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便。

3.申請大小的限制棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩余空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。  
堆:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。

4.堆和棧中的存儲內容
由於棧的大小有限,所以用子函數還是有物理意義的,而不僅僅是邏輯意義。

棧: 在函數調用時,第一個進棧的是主函數中函數調用后的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址,然后是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由右往左入棧的,然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。  
  當本次函數調用結束后,局部變量先出棧,然后是參數,最后棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。  
堆:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

關於存儲內容還可以參考這道題。這道題還涉及到局部變量的存活期。

5.存取效率的比較char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";  
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";  
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的;放在棧中。  
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的;放在堆中。  
但是,在以后的存取中,在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。  
比如:  
#include  
void main()  
{  
char a = 1;  
char c[] = "1234567890";  
char *p ="1234567890";  
a = c[1];  
a = p[1];  
return;  
}  
對應的匯編代碼  
10: a = c[1];  
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]  
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl  
11: a = p[1];  
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]  
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]  
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

關於堆和棧區別的比喻
堆和棧的區別可以引用一位前輩的比喻來看出:  
  使用棧就象我們去飯館里吃飯,只管點菜(發出申請)、付錢、和吃(使用),吃飽了就走,不必理會切菜、洗菜等准備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作,他的好處是快捷,但是自由度小。  

  使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。比喻很形象,說的很通俗易懂,不知道你是否有點收獲。

 


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