到底为什么需要堆和栈？使用场景是什么？底层原理是什么？

在计算机编程中，堆和栈是两种重要的内存区域，它们有着不同的特点和用途。

为什么需要堆和栈

栈：主要用于存储函数调用时的局部变量、函数参数、返回地址等信息。它的特点是先进后出（FILO），就像一摞盘子，最后放上去的盘子最先被拿走。这种数据结构能高效地管理函数的执行过程，保证函数调用的正确顺序和局部变量的正确访问，让程序能按照预定的逻辑依次执行各个函数。堆：用于动态分配内存，当程序运行时需要在运行期间申请不确定大小的内存空间时，就会使用堆。比如，创建一个大小在编译时无法确定的数组，或者动态创建一个对象，这些都需要在堆上分配内存。堆的存在使得程序能够根据实际运行情况灵活地管理内存，满足不同数据结构和对象的内存需求。

使用场景

栈

函数调用：在函数调用过程中，栈用于保存函数的上下文信息，包括局部变量、参数和返回地址。当函数被调用时，这些信息被压入栈中；函数执行完毕后，这些信息从栈中弹出，程序回到调用函数的位置继续执行。表达式求值：在计算表达式时，栈可以用来存储操作数和中间结果。例如，对于表达式(3 + 5) * 2，在计算过程中，操作数3和5会先被压入栈，然后计算3 + 5，结果8再被压入栈，接着2入栈，最后计算8 * 2，并将最终结果弹出栈。

堆

动态内存分配：当需要创建动态大小的数据结构，如动态数组、链表、树等数据结构时，需要在堆上分配内存。因为这些数据结构的大小在编译时是不确定的，只有在程序运行时才能根据实际情况确定所需内存的大小。对象创建：在面向对象编程中，对象通常在堆上创建。例如，使用new关键字在Java或C++ 中创建一个对象，就是在堆上分配内存来存储对象的成员变量和方法。这样可以在程序运行时动态地创建和销毁对象，满足不同业务场景下对对象的需求。

底层原理

栈：栈通常是由编译器自动管理的一块连续的内存区域。当程序执行到函数调用时，编译器会为函数的局部变量和参数在栈上分配空间，并将函数的返回地址压入栈中。当函数执行完毕，编译器会自动释放栈上为该函数分配的空间，将栈顶指针恢复到函数调用前的位置，这个过程不需要程序员手动干预。堆：堆是一块相对自由的内存区域，其管理相对复杂。当程序需要在堆上分配内存时，会调用内存分配函数（如C语言中的malloc函数）向操作系统请求一定大小的内存空间。操作系统会在堆中寻找一块足够大的空闲内存块分配给程序，并返回该内存块的首地址。程序使用完这块内存后，需要调用相应的释放函数（如free函数）将内存归还给操作系统，以便其他程序或本程序的其他部分可以再次使用这块内存。如果程序在堆上分配了内存但没有及时释放，就会导致内存泄漏，浪费系统资源。

想象你要举办一场派对，栈就像是派对的接待处。当有客人（函数）来参加派对时，接待处会记录客人的信息（局部变量、参数），并告诉客人当派对结束后从哪里离开（返回地址）。客人按照到达的顺序依次在接待处登记，最后来的客人会排在最前面，先接受服务。当派对结束时，客人按照相反的顺序离开接待处，最后来的客人最先离开。这样，接待处（栈）就能有条不紊地管理客人（函数）的进出，保证派对（程序）的顺利进行。

而堆呢，就像是派对的仓库。你不知道派对上到底需要多少食物、饮料和装饰品，所以你会在派对开始前根据大致的估计从仓库里取出一些物品，但在派对进行过程中，如果发现东西不够了，就需要随时去仓库里再取一些。这些物品的摆放位置并不是固定的，你需要记住从哪里取的，以便在派对结束后把剩余的物品放回原处，让仓库保持整洁，方便下次使用。这就像在堆上动态分配和释放内存一样，根据程序的实际需求在堆上申请和释放内存空间，以满足不同的存储需求。