面试题：C++中堆和栈在内存分配上的主要差异

Question

请详细阐述C++中堆和栈在内存分配机制上的不同点，包括分配方式、内存管理、分配效率等方面。并举例说明在实际代码中，哪些操作会涉及堆分配，哪些会涉及栈分配。

Answer 1

1. 分配方式

• 栈：由编译器自动分配和释放，函数的参数、局部变量等都在栈上分配。例如，在函数内部定义一个变量 int a = 10;，变量 a 就在栈上分配内存。
• 堆：需要程序员手动分配和释放，使用 new（C++）或 malloc（C 兼容）操作符进行分配，使用 delete（C++）或 free（C 兼容）操作符释放。例如，int* ptr = new int(10);，通过 new 操作符在堆上分配了一个 int 类型的内存空间，并返回指向该空间的指针 ptr。

2. 内存管理

• 栈：内存管理简单高效，随着函数的调用和返回，栈上的变量自动创建和销毁，不需要程序员手动干预，减少了内存泄漏的风险。
• 堆：程序员需要手动管理内存的释放，如果忘记调用 delete 或 free，会导致内存泄漏。例如：

int* ptr = new int(10); 
// 如果后续没有执行 delete ptr; 则会造成内存泄漏

3. 分配效率

• 栈：分配效率高，因为栈的操作类似于数据结构中的栈，遵循后进先出（LIFO）原则，内存分配和释放只需要移动栈指针，这是非常快速的操作。
• 堆：分配效率相对较低，堆内存的分配涉及到复杂的内存管理算法，如空闲链表法等，以找到合适的内存块，并且可能需要进行内存碎片整理等操作。

4. 实际代码中的示例

• 堆分配操作：

class MyClass {
public:
    int data;
    MyClass(int val) : data(val) {}
};

int main() {
    // 堆分配一个 MyClass 对象
    MyClass* obj = new MyClass(42); 
    // 使用完后需要手动释放
    delete obj; 

    // 堆分配一个数组
    int* arr = new int[10]; 
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        arr[i] = i;
    }
    // 释放数组
    delete[] arr; 
    return 0;
}

• 栈分配操作：

void func() {
    int num = 5; // 栈分配一个 int 变量
    int arr[10]; // 栈分配一个数组
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        arr[i] = i;
    }
    // 函数结束时，num 和 arr 自动从栈上释放
}

int main() {
    func();
    return 0;
}