堆和栈它们的内涵有多深

2022-12-01 10:12

前言

作为一名程序员，许多同学会把堆和栈这两个字，变成一个词放在一起，其实这是错误的。

堆（heap）

堆是一个内存空间，这个内存可以由程序员分配和释放，当然部分语言自带 GC（ Garbage Collection 垃圾回收），部分堆内存可以由 GC 回收。这里千万要注意，这里说的「堆」和 数据结构 里面说的「堆」不是同一个概念，大家千万不要混淆。

堆是程序在运行的时候请求操作系统分配给自己内存。由于从操作系统管理的内存分配，所以在分配和销毁时都要占用时间，因此用堆的效率相对栈来说略低。但是堆的优点在于，编译器不必知道要从堆里分配多少内存空间，也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间，因此用堆保存数据时会得到更大的灵活性。所以为达到这种灵活性，在堆里分配存储空间时会花相对更长的时间，这也是效率低于栈的原因。

栈（stack）

栈是由编译器自动分配和释放的，存放函数的参数值，局部变量的值等。也请注意，这里说的「栈」不是 数据结构 中的「栈」，大家千万不要混淆。这里请注意，栈是由由系统自动分配。

栈的优势是存取速度比堆要快，仅次于寄存器，栈数据可以共享。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。

说的再通俗点：

使用栈就像我们去饭馆里吃饭，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。

使用堆就像是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。

实际应用

看完上面一段文字，大多数同学自然就懂了，而不懂的，还是一脸懵。这些东西我知道了有什么实际意义？比如栈既然是系统分配和释放，我干预不了，我知道它干什么？那这里就以编程语言 C#（C Sharp）来举例说明。也可以看相应的 👉 LeetBook

堆、栈的实际意义

堆、栈，算是相对底层一些的内容，大部分的语言其实这部分内容都是类似的。如果你不会 C# 语言也能看懂～。

我们都知道，C# 的数据类型有两大类型 —— 值类型 和 引用类型。大致结构如下图：

值类型我们看到包含内置值类型、用户定义的值类型和枚举。枚举就不用说了，内置值类型指的是 int、float、bool、double 等等。

用户定义的值类型指的就是 struct。引用类型大概我们学 C 语言的时候学到的指针类型（C# 做了封装，所以我们看不到 int * 这类的代码，当然可以使用 unsafe 关键字，这里就不多赘述）、接口类型、用户自定义的类（class），数组等。

类型的含义

这里为什么要解释这两个大的类型？首先是因为值类型是放在栈上的，值类型变量声明后，不管是否已经赋值，编译器为其分配内存。然而引用类型当声明一个变量时，只在栈中分配一小片内存用于容纳一个地址，而此时并没有为其分配堆上的内存空间。当使用 new 创建一个类的实例时，这时会分配堆上的空间，并把堆上空间的地址保存到栈上分配的小片空间中。

通俗一点，堆上存放的是我们声明出来的实例对象，当我们需要访问这个实例对象时，我们找到它的方法是先找到变量对应在栈上的内存，然后通过栈上存放的数据，我们才能找到其真正的实例在堆的任意位置。

代码

class A{    public A(int x){        X = x;    }
    public int X { get; set; }}
static void Main(string[] args){    int m = 1;    int n = m;    m = 2;    Console.WriteLine($"m = {m}, n = {n}");
    A a = new A(1);    var b = a;    a.X = 2;    Console.WriteLine($"a.X = {a.X}, b.X = {b.X}");}

我们会发现输出结果是

m = 2, n = 1a.X = 2, b.X = 2

我们发现 m 和 n 的值是分别独立的，而 a 和 b 修改其中一个会修改两个值。这是因为 m 和 n 都是分配在栈上的，而 a 和 b 虽然也是在栈上，但是其只是存储的堆上的一个地址索引，我们不管通过 a 还是 b 索引到的堆上的内存都是同一份。

我们再来看值类型和引用类型，在栈上的数据访问快，在堆上的数据访问相对慢，因此，当我们开发过程中，通过需求，比如底层的一些不变数据，完全可以有 struct 来实现，因为其不会为 null，符合值类型的要求，而且我们经常访问会更快一些。

我们看上图发现，值类型和引用类型都是继承自 Object ，也就是说：

Object a = 1;int b = (int)a;

这两个都是合法语句。但是这里面隐藏了一个非常常见的一个现象，那就是装箱和拆箱。

什么是拆装箱？

装箱实际上是将值类型转换为引用类型，而拆箱是将引用类型转换为值类型。再透彻点，实际上装箱拆箱就是栈内存和堆内存的来回拷贝和赋值，这不仅仅浪费性能，而且还会造成没必要的 GC。因此，能避免 “装箱”、“拆箱” 操作的就尽量避免。除上面所说的这些数据类型，还有一个写代码必不可少的，那就是函数。

函数是如何调用的？实际上函数调用的参数是通过栈空间来传递，在调用过程中会占用线程的栈资源。

当我们使用递归算法时，每次虽然调用的是同一个函数，但是会在栈中占用一个空间，只有走到最后的结束点后函数才能依次退出，而未到达最后的结束点之前，占用的栈空间一直没有释放。因此如果递归调用次数过多，就可能导致占用的栈资源超过线程的最大值，从而导致栈溢出，这也是为什么一定要尽量少用递归的原因。

写在最后

上面说了很多，侧面说明了堆、栈的应用的优缺点，平时应用中需要更加了解我们写的代码都“干了什么”，这样才有可能写出更高效、更可靠的代码。对于一名程序员来说，不管未来编程语言发展的多么容易上手，一定不要忘了学习计算机的基础知识，哪怕是先学会了编程再返回来补习这些知识。祝大家工作顺利、评论留言少 BUG ！点赞转发不脱发！

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本文作者：力扣

编辑&版式：Janson

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来源: qq

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