栈和堆的区别

在理解堆栈和堆数据结构之间的区别之前，我们应该先分别了解堆栈和堆数据结构。

什么是堆栈？

堆栈是一种用于组织数据的数据结构。堆栈类似于现实世界中组织物体的方式。现实世界中堆栈的一些例子包括一叠餐盘、一个称为“汉诺塔”的数学谜题，其中包含三个带有多个圆盘的杆，以及一叠网球。堆栈是一个集合，其特性是一个项目或对象必须从一端移除，称为“堆栈顶部”。

它不能被视为一种属性，而应被视为应用于堆栈的约束或限制。换句话说，我们可以说只有堆栈顶部是可访问的，任何项目都可以从堆栈顶部移除或插入。它遵循 LIFO（后进先出）原则，其中最近添加的元素必须首先从堆栈中移除。

堆栈是一个列表或集合，其插入和删除操作都发生在称为堆栈顶部的一端。

操作

以下是堆栈 ADT 可用的两个操作：

• Push（入栈）：将元素插入堆栈的过程称为入栈操作。入栈操作可以写成：
  Push(x)：将元素 x 插入堆栈。
• Pop（出栈）：从堆栈中删除元素的过程称为出栈操作。出栈操作可以表示为：
  Pop()：从堆栈中移除最近添加的元素。

堆栈的表示

堆栈如下图所示：

从上图可以看出，堆栈看起来像一个从一侧打开的容器。它可以在逻辑上表示为一个从一侧打开的容器的三侧图形。上图表示一个空的堆栈，我们假设堆栈为“s”。这是一个整数堆栈。现在我们将对堆栈执行入栈和出栈操作。假设我们要将 2 插入堆栈。入栈操作后，堆栈将显示为：

由于堆栈中只有一个元素，因此元素 2 将位于堆栈顶部。如果要将 1 插入堆栈，堆栈将显示为：

由于元素 1 位于元素 2 的上方，因此元素 1 将被视为堆栈顶部。如果执行出栈操作，则如上所示，最顶部的元素，即 1，将被从堆栈中移除：

什么是堆？

堆也是一种数据结构或用于存储全局变量的内存。默认情况下，所有全局变量都存储在堆内存中。它允许动态内存分配。堆内存不由 CPU 管理。堆数据结构可以使用数组或树来实现。

它是一个完全二叉树，满足堆属性条件，其中完全二叉树是所有层都已完全填充，只有最后一层除外。在最后一层，所有节点都尽可能靠左。

指针和动态内存

在这里，我们将研究内存的架构。了解系统如何管理内存以及我们程序员如何访问内存至关重要。在典型的架构中，分配给程序或应用程序的内存分为四个段。内存的一个段存储要执行的指令。内存的另一个段存储全局变量或静态变量。全局变量是在函数外部声明的变量，其生命周期贯穿整个程序。第三个段，即堆栈，用于存储所有函数调用和局部变量。当调用任何函数时，它会在内存中占用一些空间，称为堆栈内存。

让我们通过一个例子来理解堆栈内存。

在上面的代码中，执行从 main() 方法开始。因此，main() 方法将在堆栈中获得内存，如下所示：

当调用 sum() 方法时，控制将转移到 sum() 函数。

sum() 方法调用 square() 方法；因此，square() 方法将在堆栈中获得内存，如下所示：

一旦 square() 方法的 return 语句被执行，控制将返回到 sum() 方法，并且 square() 方法将从堆栈中移除，如下所示：

当 sum() 方法的 return 语句被执行时，控制将返回到 main() 方法，并且 sum() 方法将从堆栈中移除，如下所示：

在 main() 方法中，调用了 printf() 函数，因此它将在堆栈中获得内存，如下所示：

一旦 printf() 语句的执行完成，printf() 和 main() 方法将从堆栈内存中移除，如下所示：

使用堆栈内存存在一些限制。假设操作系统为程序保留了 1MB 的堆栈内存。如果程序不断调用函数，堆栈内存将不足，并导致堆栈溢出。堆栈溢出会导致程序崩溃。因此，我们可以说堆栈内存不会在运行时增长。

堆栈的另一个限制是变量的作用域无法操纵。堆栈上内存的分配和释放由规则设定，即当调用函数时，它会被推入堆栈顶部；当调用 pop() 操作时，元素将从堆栈顶部移除。

堆栈的第三个限制是，如果我们定义大型数据类型（如数组），并且数组的大小未在编译时定义。我们想根据某些参数定义数组的大小，而堆栈无法在运行时定义数组的大小。

因此，为了分配大块内存并将内存保留一段时间，我们可以使用 堆 数据结构。与堆栈数据结构不同，堆内存的大小可以变化，并且在应用程序的整个生命周期中不是固定的。在堆内存中，对于内存的分配和释放没有固定的规则。程序员可以自己手动处理内存。对程序员来说，将堆视为可供使用的免费大片内存，我们可以根据需要使用它。

堆也称为动态内存，使用堆可以被视为动态内存分配。要使用动态内存，我们需要使用一些函数。在 C 语言 中，我们可以使用 malloc() 和 calloc() 来分配内存，并使用 free() 函数来释放内存；而在 C++ 语言 中，我们使用 new 运算符进行分配，使用 delete 运算符进行释放。

让我们通过一个例子来理解动态内存。

上述代码的解释。

首先，我们声明了变量 'a'，它在 main() 方法的堆栈帧内分配在堆栈中，如下所示：

要分配到 堆内存，我们需要使用 malloc() 函数。我们在上述代码中使用了 malloc() 函数，其中传递了 sizeof(int)，表示在堆内存中分配了 4 字节的块。该函数返回一个 void 指针，其中包含块的起始地址。'p' 是函数局部的一个指针变量，因此它存储在堆栈中，如下所示：

再次，我们分配了由 'p' 变量指向的新内存块，因此 'p' 不持有先前块的地址。具有值 11 的块是内存的不必要消耗。在堆中，内存不会自动释放，我们必须手动释放内存。因此，在上述代码中，我们使用了 free(p) 函数，其中我们将 'p' 传递给释放 'p' 指向的内存。

堆栈与堆的区别