阿達の設計手札

堆(heap)和棧(stack)是C/C++編程不可避免會碰到的兩個基本概念。首先，這兩個概念都可以在講數據結構的書中找到，他們都是基本的數據結構，雖然棧更為簡單一些。

在具體的C/C++編程框架中，這兩個概念並不是並行的。對底層機器代碼的研究可以揭示，棧是機器系統提供的數據結構，而堆則是C/C++函數庫提供的。

具 體地說，現代計算機(串行執行機制)，都直接在代碼底層支持棧的數據結構。這體現在，有專門的寄存器指向棧所在的地址，有專門的機器指令完成數據入棧出棧 的操作。這種機制的特點是效率高，支持的數據有限，一般是整數，指針，浮點數等系統直接支持的數據類型，並不直接支持其他的數據結構。因為棧的這種特點， 對棧的使用在程序中是非常頻繁的。對子程序的調用就是直接利用棧完成的。機器的call指令裡隱含了把返回地址推入棧，然後跳轉至子程序地址的操作，而子 程序中的ret指令則隱含從堆棧中彈出返回地址並跳轉之的操作。C/C++中的自動變量是直接利用棧的例子，這也就是為什麼當函數返回時，該函數的自動變 量自動失效的原因(因為堆棧恢復了調用前的狀態)。

和棧不同，堆的數據結構並不是由系統(無論是機器系統還是操作系統) 支持的，而是由函數庫提供的。基本的malloc/realloc/free函數維護了一套內部的堆數據結構。當程序使用這些函數去獲得新的內存空間時， 這套函數首先試圖從內部堆中尋找可用的內存空間，如果沒有可以使用的內存空間，則試圖利用系統調用來動態增加程序數據段的內存大小，新分配得到的空間首先 被組織進內部堆中去，然後再以適當的形式返回給調用者。當程序釋放分配的內存空間時，這片內存空間被返回內部堆結構中，可能會被適當的處理(比如和其他空 閒空間合併成更大的空閒空間)，以更適合下一次內存分配申請。這套複雜的分配機制實際上相當於一個內存分配的緩衝池(Cache)，使用這套機制有如下若 干原因：

1. 系統調用可能不支持任意大小的內存分配。有些系統的系統調用只支持固定大小及其倍數的內存請求(按頁分配)；這樣的話對於大量的小內存分類來說會造成浪費。