最近兩個主題我們談到了「堆疊 (Stack)」和「堆積 (Heap)」，即使它們在中文上只有一字之差，但在電腦科學中，它們的用途和特性是非常不同的。

1. 堆疊 (Stack)

堆疊是一種後進先出（LIFO, Last In, First Out）的資料結構。想像一下疊盤子，最後放上去的盤子會是第一個拿走的。電腦在執行程式時，特別是處理函數呼叫和局部變數時，會使用堆疊。

特性：

• 記憶體分配方式： 靜態分配，通常使用固定大小。
• 應用場景： 儲存局部變數、函數呼叫資訊、函數回傳位址等。
• 存取方式： 透過指標（stack pointer）控制，按順序進行。
• 效能： 因為是後進先出，所以執行速度很快且記憶體管理簡單。

2. 堆積 (Heap)

堆積則是用來動態分配記憶體的區域。當程式需要分配記憶體，但無法預先確定需要多大空間時，會向堆積申請記憶體。不同於堆疊，堆積的存取是無序的。

特性：

• 記憶體分配方式： 動態分配，不固定大小，由程式運行時申請和釋放。
• 應用場景： 儲存動態分配的變數，像是大型物件或需要在函數之間傳遞的資料。
• 存取方式： 由作業系統或程式負責管理，通常透過指標來存取。
• 效能： 因為需要動態分配和釋放記憶體，操作速度相對較慢，而且需要避免記憶體洩漏。

3. 異同點詳細分析：

• 記憶體分配方式

  堆疊 (Stack)：

  • 分配方式： 靜態分配，記憶體大小是事先在編譯時期就確定的，每次函數呼叫或區塊執行時，堆疊中的記憶體會依據既定大小自動分配。
  • 使用限制： 有固定大小，通常由作業系統定義，超出堆疊大小（如遞迴過深）會導致堆疊溢位（Stack Overflow）。

  堆積 (Heap)：

  • 分配方式： 動態分配，大小和存活時間不是事先確定的。程式運行時，根據需求向作業系統請求記憶體，並用完之後再手動釋放（如使用 new 或 malloc() 等）。
  • 使用限制： 理論上可以使用的記憶體很大，但動態記憶體分配過程中容易發生記憶體碎片化和記憶體洩漏。

• 存取順序與方式

  堆疊 (Stack)：

  • 存取方式： 後進先出（LIFO）。最後被放入堆疊的變數會最先被取出。堆疊指標（Stack Pointer）控制記憶體的分配與釋放，每次函數返回時自動釋放記憶體。
  • 存取效率： 因為堆疊操作是按順序進行，操作非常高效（時間複雜度是 O(1)），不需要額外管理。

  堆積 (Heap)：

  • 存取方式： 無特定順序，通過指標直接存取。程式可以在任何時候對堆積中的任意記憶體進行存取。
  • 存取效率： 動態分配記憶體需要額外時間管理，因此速度較慢。存取記憶體時，需要尋址和管理記憶體區塊，因此效率不如堆疊高。

• 生命週期

  堆疊 (Stack)：

  • 生命週期： 自動管理。當程式進入函數時，函數的局部變數自動分配到堆疊上，函數返回後自動釋放。不需開發者手動干預。
  • 存活時間： 局部變數的生命週期與函數或區塊的執行時間相同，當結束時，變數就被自動清除。

  堆積 (Heap)：

  • 生命週期： 需要手動管理。程式需要自行分配和釋放記憶體。如果未能正確釋放記憶體，會導致記憶體洩漏。
  • 存活時間： 動態分配的變數可以在函數結束後繼續存在，直到程式主動釋放記憶體（例如使用 delete 或 free()）。

• 應用場景

  堆疊 (Stack)：

  • 主要用途： 儲存函數的局部變數、參數、返回位址和控制流程。適用於短期、快速且固定大小的資料，像是簡單的數字或小型陣列。
  • 常見例子： 遞迴呼叫、函數的局部變數、函數呼叫時的返回地址。

  堆積 (Heap)：

  • 主要用途： 動態分配大型物件或不確定大小的資料，適合用來存儲需要在整個程式中長時間存在的資料（例如大型物件、動態資料結構如鏈結串列、樹或圖等）。
  • 常見例子： 動態分配的陣列或物件、需要在多個函數之間傳遞的大型資料。

• 效能

  堆疊 (Stack)：

  • 效能高： 堆疊的操作非常簡單，記憶體管理是自動化的，不需要額外的開銷。函數返回時，局部變數自動釋放。

  堆積 (Heap)：

  • 效能較低： 需要額外的處理來分配和釋放記憶體。使用堆積進行記憶體操作時，記憶體碎片化和洩漏問題需要額外管理，因此效能不如堆疊。

總結：

1. 堆疊 (Stack) 適合簡單、短期且大小固定的資料，具高效且自動的記憶體管理。像是你在書桌上堆疊書本，有明確的順序和操作規則。
2. 堆積 (Heap) 更靈活，適合大型且不確定大小的資料，記憶體管理由開發者手動處理。像是你的書架，你可以隨時從任何位置拿取或放回書籍，但管理起來需要更多的計劃和精力。

參考資料：

1. 詳解 Stack 與 Heap 之間的特性與差異 - Medium by Austin
2. Java 面試 - JVM 的 Stack 和 Heap 請比較 JVM 記憶體的 Stack 和 Heap - Laugh Now by markleetw