C++ 的栈与堆:变量到底住在哪

一句话:普通局部变量住在栈上 — 纳秒级分配、离开作用域自动销毁。堆给那些必须活得比作用域久、或运行期才知道大小的东西 — 更大更灵活,但要你分配、你释放。

亲眼看生命周期差异

下面的函数有个局部变量,程序有个全局变量。把函数调三次,看谁记得住什么:

#include <iostream>
using namespace std;

int counter = 0;   // 全局:活整个程序

void bump() {
    int local = 0; // 栈:每次调用重新出生
    local++;
    counter++;
    cout << "local=" << local << " counter=" << counter << endl;
}

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

local 每次都打出 1 — 它在 bump() 的一次调用里出生、存活、死亡,在栈上。counter 跨调用保持自己的值,因为它的生命周期是整个程序。生命周期就是栈/堆之别的核心。

并排对比

	栈	堆
谁来分配	自动 — 声明即得	你 — `new`（或容器/智能指针）
生命周期	随作用域结束	直到 `delete`（或它的主人死）
速度	极快（挪一个指针）	较慢（记账、找空位）
大小	小 — 一般 ~1–8 MB	基本等于"可用内存"
何时死	作用域退出 — 有保证	你释放才死 — 不放就是泄漏
典型用途	局部变量、函数参数	大数据、运行期定大小的数据、共享对象

堆分配:`new` 与 `delete`

(浏览器引擎暂不支持 new/delete — 这段在桌面编译器上跑。)

int main() {
    int* p = new int(42);   // 在堆上分配,p 装着地址
    cout << *p << endl;     // 42
    delete p;               // 还内存 — 你的活,不是作用域的
    return 0;
}

每个 new 必须恰好配一个 delete。漏掉 delete → 内存泄漏（再也无法使用的内存）。delete 两次,或删完还继续用指针(悬垂指针)→ 未定义行为。

现代答案:几乎不手写 new/delete

C++ 对这个问题的杀手锏是 RAII — 资源获取即初始化:把资源的生命周期绑到对象的作用域上,作用域保证清理。你其实早就在用 RAII 只是没叫它名字:std::vector 自动管理它的堆数组。单个对象由智能指针做同样的事:

#include <memory>

int main() {
    auto p = std::make_unique<int>(42);  // 堆内存,p 持有它
    cout << *p << endl;                  // 42
    return 0;                            // p 在这里析构 — 内存自动释放
}

现代代码的经验法则:默认栈;要堆就通过主人(vector、string、unique_ptr)— 几乎不碰裸 new/delete。

两个著名的翻车方式

栈溢出:栈很小。够不到基例的递归(或 int big[10000000] 这种巨型局部数组)会把它榨干 — 程序崩溃。Stack Overflow 这个网站名就是从这来的。
返回局部变量的指针:int* f() { int x = 5; return &x; } — x 在右花括号处就死了;调用方拿到的是一个尸体的地址。未定义行为,也是 C++ 面试里最经典的生命周期 bug。

这个主题的面试题

"什么住在栈上,什么住在堆上?" — 局部/参数 vs 显式分配的数据（以及 vector/string 背后替你管的东西）。
"栈分配为什么快?" — 只是挪一个栈指针;堆分配要记账还要找空位。
"一句话说清内存泄漏?" — 再也够不着、永远不会被释放的堆内存。
"什么是 RAII?" — 把资源生命周期绑到对象作用域,清理自动化;vector、string、fstream、智能指针全是这么工作的。
"返回局部变量的引用/指针为什么坏?" — 本文开头那个生命周期问题,武器化版本。

去练习场练手

改生命周期演示:再加一个全局和一个局部,运行前预测全部六行输出。
写 int* broken() { int x = 7; return &x; } — 别运行（未定义行为!）;写一行注释,解释桌面编译器为什么会警告它。
递归深度:斐波那契示例的 fib(10) 安全;推算 fib 的栈大约多深,以及 fib(100000) 为什么会栈溢出。