iOS中的堆(heap)和栈(stack)的理解

“text segment ”是应用程序运行时应用程序代码存在的内存段。每一个指令，每一个单个函数、过程、方法和执行代码都存在这个内存段中直到应用程序退出。一般情况下，你不会真的不得不知道这个段的任何事情。

当应用开始以后，函数main() 被调用，一些空间分配在”stack” 中。这是为应用分配的另一个段的内存空间，这是为了函数变量存储需要而分配的内存。每一次在应用中调用一个函数，“stack ”的一部分会被分配在”stack” 中，称之为”frame” 。新函数的本地变量分配在这里。

正如名称所示，“stack ”是后进先出（LIFO ）结构。当函数调用其他的函数时，“stack frame ”会被创建；当其他函数退出后，这个“frame ”会自动被破坏。

“heap” 段也称为”data” 段，提供一个保存中介贯穿函数的执行过程，全局和静态变量保存在“heap ”中，直到应用退出。

为了访问你创建在heap 中的数据，你最少要求有一个保存在stack 中的指针，因为你的CPU 通过stack 中的指针访问heap 中的数据。

你可以认为stack 中的一个指针仅仅是一个整型变量，保存了heap 中特定内存地址的数据。实际上，它有一点点复杂，但这是它的基本结构。

简而言之，操作系统使用stack 段中的指针值访问heap 段中的对象。如果stack 对象的指针没有了，则heap 中的对象就不能访问。这也是内存泄露的原因。

在iOS 操作系统的stack 段和heap 段中，你都可以创建数据对象。

stack 对象的优点主要有两点，一是创建速度快，二是管理简单，它有严格的生命周期。stack 对象的缺点是它不灵活。创建时长度是多大就一直是多大，创建时是哪个函数创建的，它的owner 就一直是它。不像heap 对象那样有多个owner ，其实多个owner 等同于引用计数。只有heap 对象才是采用“引用计数”方法管理它。

stack 对象的创建

只要栈的剩余空间大于stack 对象申请创建的空间，操作系统就会为程序提供这段内存空间，否则将报异常提示栈溢出。

heap 对象的创建

操作系统对于内存heap 段是采用链表进行管理的。操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当收到程序的申请时，会遍历链表，寻找第一个空间大于所申请的heap 节点，然后将该节点从空闲节点链表中删除，并将该节点的空间分配给程序。

例如：

NSString 的对象就是stack 中的对象，NSMutableString 的对象就是heap 中的对象。前者创建时分配的内存长度固定且不可修改；后者是分配内存长度是可变的，可有多个owner, 适用于计数管理内存管理模式。

两类对象的创建方法也不同，前者直接创建“NSString * str1=@"welcome"; “，而后者需要先分配再初始化“ NSMutableString * mstr1=[[NSMutableString alloc] initWithString:@"welcome"]; ”。

再补充一点，这里说的是操作系统的堆和栈。

在我们学习“数据结构”时，接触到的堆和栈的概念和这个操作系统中的堆和栈不是一回事的。

操作系统的堆和栈是指对内存进行操作和管理的一些方式。

“数据结构“的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先Queue 的一种数据结构，第1 个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数据或数据结构。

一、堆和栈的概念区别

堆： 是大家共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程 初始化的时候分配，运行过程中也可以向系统要额外的堆，但是记得用完了要还给操作系统，要不然就是内存泄漏。堆里面一般 放的是静态数据，比如static的数据和字符串常量等，资源加载后一般也放在堆里面。一个进程的所有线程共有这些堆 ，所以对堆的操作要考虑同步和互斥的问题。程序里面编译后的数据段都是堆的一部分。

栈： 是个线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立，因此 ，栈是　thread safe的。每个c++对象的数据成员也存在在栈中，每个函数都有自己的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是 切换ss/esp寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配 和释放。

预备知识—程序的内存分配

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

1、栈区（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。

2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。

3、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，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，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。程序结束后由系统释放。

4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放。

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

二、例子程序

//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"; //栈

char *p2; //栈

char *p3 = "123456"; //123456{row.content}在常量区，p3在栈上。

static int c =0； //全局（静态）初始化区

p1 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20);//分配得来的10和20字节的区域就在堆区。

strcpy(p1, "123456"); //123456{row.content}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。

}

三、堆和栈的理论知识

1.申请方式

stack:由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间

heap:需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数

如p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new运算符

如p2 = (char *)malloc(10);

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.申请后系统的响应

栈：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：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。

3.申请大小的限制

栈： 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（也可能是1M，它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：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。

4.申请效率的比较：

栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。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.

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的

5.堆和栈中的存储内容

栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（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：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

6.存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；

但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

比如：

void main()

{

char a = 1;

char c[] = "1234567890";

char *p ="1234567890";

a = c[1];

a = p[1];

return;

}

对应的汇编代码

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

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

7小结：

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：

使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，吃完之后还得清洗、打扫等后续工作(不然用完了不清洗就不好再用)，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。

管理方式：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。

申请大小：

栈：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：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。

碎片问题：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

分配方式：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：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。