c程序设计课程中的堆与栈

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1、C程序设计课程中的堆与栈谌卫军（清华大学计算机科学与技术系，北京100084）摘要：堆和栈是C语言程序设计课程中的两个重要概念，在程序设计和代码分析中应用广泛。文章首先介绍程序运行时的内存空间分布，包括代码区、全局变量区、栈和堆，然后讨论栈的基本原理和特点以及栈在函数调用执行过程中的应用，然后通过例子演示栈在代码分析中的作用，详细阐述在递归函数调用的执行过程中控制流和数据流的变化过程，最后介绍堆的基本概念和应用特点。.jyqkail protected]。0引言在讲授C语言程序设计课程时，教师会碰上两个颇

2、有挑战性的概念：堆（heap）与栈（stack）。一方面，这两个概念非常重要，在程序设计和代码分析中经常要用到，只有理解了这两个概念，才能对程序运行时的一些规律和特点有着更深刻的认识；另一方面，这两个概念又有一定的难度，涉及程序设计课程以外的一些知识，如操作系统和编译原理等，因此教师不太好讲授这部分内容，学生也不太容易理解。从大的方面来说，堆和栈实际上是属于操作系统课程的内容，描述的是一个进程的内存空间分布情况。所谓进程，即一个程序的一次运行。当磁盘上的一个可执行程序运行时，它就会被装入到计算机的内存，在内存中运行

3、。一般来说，进程的内存空间分布情况如图1所示。从图1可以看出，当一个可执行程序（EXE文件）被装入到内存时，它主要包括两个部分：代码和数据。对于代码，它会被装入到内存中的代码区，这部分内容是只读的，不能被修改。对于数据，它又由3部分组成：①全局变量：根据其是否有初始值，被装入到内存中的未初始化数据区和初始化数据区；②局部变量：在函数调用发生时存放在栈中；③动态内存空间：在程序运行时申请的动态内存空间存放在堆中。代码区和全局变量区也称为静态区域，这是因为在装入这个可执行程序时，这部分内容的大小是已知、固定的，而栈和堆

4、称为动态区域，这是因为这部分内容的大小是动态可变的。1栈（stack）栈本质上是一种数据结构，其特点是后进先出。打个比方，教室中靠墙的一排座位，学生在进去时只能从靠过道的那一侧进去，一个接一个往里走，先进去的人靠着墙坐，后进去的人靠着过道坐，但是在出来的时候却是按照相反的顺序，靠过道的学生先出来，然后才是靠墙的学生，这就是后进先出的特点。在程序运行过程中，栈主要有两个用途：一是用作暂存功能，用来保存程序运行时的上下文信息，即各个CPU寄存器的值；二是在函数调用发生时用来保存被调用函数的局部变量和形参。对于前者，主要

5、体现在汇编语言级别，因此在学习C语言时不必关注，文中主要考察后者。1.1函数调用的执行过程在C语言中，当一个函数被调用时，其执行过程如下：①在内存的栈空间中为其分配一个栈帧，用来存放该函数的形参和局部变量；②将实参的值复制给相应的形参变量；③控制流转移到该函数的起始位置；④该函数开始执行；⑤控制流和返回值返回到函数调用点，栈帧释放。1voidmain（）2{3intnum;4printf（"请输入一个整数："）;5scanf（"%d"，num）;6printf（"%d"，Times2（num））;7}8intTim

6、es2（intvalue）9{10return（2*value）;11}例如，对于上述程序，在它的执行过程中，栈帧的变化情况如图2所示。当main函数被执行时，在栈当中为它分配一块栈帧，用来存放它的局部变量num。然后，当执行到该程序的第6行时调用Times2函数，因此在栈当中又为这次函数调用分配一块栈帧，用于存放它的形参value。接下来，进行参数传递，将实参num的值传给形参value，然后控制流跳转到第8行Times2函数的起始地址，并开始逐条语句执行。当Times2函数执行完成后，其栈帧被释放，栈帧中的变量

7、也不能再访问。在了解了函数调用的执行过程以及栈帧的原理后，学生就会对C语言程序有更深入的理解，对于一些C语言的语法，不仅能知其然，还能知其所以然。在C语言的语法中，局部变量具有如下特点：①局部变量只在本函数范围内有效；②在不同函数中可使用相同名字的局部变量；③形参也是局部变量，也只能在本函数中使用；④局部变量的生存期：当函数被调用时，其局部变量才被创建并分配相应内存空间；当函数调用结束后，局部变量即消亡，其空间被释放。局部变量之所以具有上述这些特点，根本原因就是栈帧的工作原理。需要指出的是，在函数调用的执行过程中，

8、栈帧的申请和释放由系统自动完成，程序员并不知晓。具体来说，编译器在编译源代码时，会在函数定义所在的位置加入一些汇编指令，将栈指针（stackpointer，SP）移动到合适的位置，从而创建栈帧并为形参和局部变量分配空间。1.2代码分析栈帧的原理还可以用来进行代码分析，例如，对于下列程序：voidsp;temp=x;x=y;y=temp;}voidmain（）