C++中栈和堆的区别

预备知识

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

栈（stack) 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈
堆（heap) 由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。其与数据结构中的堆不相同，分配的方式类似于链表。
全局区（静态区，static）全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。
文字常量区 常量字符串的存储位置。程序结束后由系统释放
程序代码区 存放函数体的二进制代码

//main.cpp
int a = 0; 全局初始化区
char *p1; 全局未初始化区
main(){
int b; 栈
char s[] = "abc"; // 注意：abc 分配在静态存储区，不是栈上

char *p1; //栈
char *p2; //栈
char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。

static int c =0； 全局（静态）初始化区

// 堆区。
p1 = (char *)malloc(10); // c
// 两种方法的区别
// https://stackoverflow.com/questions/3902011/whats-the-difference-between-new-char10-and-new-char10
p2 = new char[10]; // c++
p2 = new char(10); // c++
strcpy(p1, "123456"); // 123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}

注意在上面的示例中，指针p1,p2本身是存储在栈中的，但是其所指的地址是指向堆的。这一点要分清楚。

申请后系统的响应

栈 (stack)：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（heap): 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 (stack)：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（heap): 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 (stack)：栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆（heap): 堆是由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。

堆和栈中的存储内容

栈 (stack)：在函数调用时，第一个进栈的是主函数的下一条指令（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（heap): 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。

总结

堆和栈的区别可以总结为一下几点：

管理方式不同: 对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
空间大小不同: 一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）, 可以修改。
能否产生碎片不同：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出。
生长方向不同：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。
分配方式不同：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
分配效率不同：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

Reference:

https://blog.csdn.net/wo17fang/article/details/52244238