堆疊與堆積 - C# 教學

程式執行時所有資料都要載入記憶體存放，資料佔用的空間與儲存位置由資料型別決定；程式執行期間會使用兩塊記憶體區域來存放資料：堆疊（Stack）、堆積（Heap）。

堆疊（Stack）

堆疊本質是一段連續記憶體陣列，遵循後進先出（LIFO）的資料結構，主要存放三類資料：

部分型別變數的數值
程式當下的執行上下文
傳入方法的參數

堆疊的記憶體分配與釋放全由系統自動控管，開發者不需手動操作；搞懂堆疊的底層運作邏輯，能更順利看懂程式執行流程與 C# 官方文件。

堆疊核心特性

僅能在堆疊頂端新增、刪除資料
往堆疊頂端存入資料：推入（Push）
從堆疊頂端取出資料：彈出（Pop）

堆疊記憶體特色

記憶體分配釋放速度極快，使用連續記憶體空間
生命週期綁定方法呼叫：方法執行完畢，堆疊框架自動銷毀
存放內容：實值型別變數、方法參數、區域變數、執行上下文

透過簡單範例，更容易理解堆積的運作方式

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int a = 10;
        int b = 20;
        int sum = Add(a, b);
    }

    static int Add(int x, int y)
    {
        return x + y;
    }
}
Code language: JavaScript (javascript)

這段範例邏輯十分簡單：從程式入口 Main 函式第一行開始建立 int 型別變數 a，第二行建立變數 b，第三行呼叫 Add 函式並傳入 a、b 的數值進入函式內部。x 承接 a 的值、y 承接 b 的值，函式回傳 x 加 y 的運算結果，數值為 30 並送回呼叫處指派給 sum。Add 執行結束後 x、y 會從堆疊彈出，sum 數值更新為 30；Main 執行完畢後程式結束。下面我們一步步拆解整個堆疊推入、彈出的完整流程。

程式執行流程與堆疊推入彈出步驟

執行第二行程式，建立第二個整數變數 b，數值為 20；先推入的內容位於堆疊底部，後推入的內容會在堆疊頂端

第三行程式會先執行等號右側 Add(a,b)，呼叫 Add 函式並把 a、b 的數值複製給 x、y；這裡僅傳遞數值，a 和 x 是兩個完全獨立的變數，互不影響。

此步驟僅計算 x 加 y 並回傳結果，不需在堆疊長期存放；運算結果 30 直接送回呼叫位置，等同 int sum = 30 的效果。執行完 return x+y 後 Add 函式即將結束，函式內部建立的區域變數都要執行彈出，彈出會清空該變數佔用的記憶體空間，供後續重複使用。

堆疊最上方的位置稱為堆疊頂（Top），變數彈出後堆疊頂會自動往下移動。
Add 執行完畢，x、y 屬於該函式內部的區域參數，必須依序彈出銷毀，釋放堆疊空間維持系統流暢。
彈出後 x、y 就不存在；Add 回傳的 30 送至呼叫處，準備指派給 sum。

執行 int sum = 30 會再次觸發推入動作，將 sum（數值30）放在堆疊頂端。該敘述執行完後 Main 函式即將結束，接下來要依序銷毀屬於 Main 的區域變數 sum、b、a（彈出 Pop）。

彈出永遠從堆疊頂端開始；堆疊如同只有單一出入口的通道，資料只能從同一端進出。因此銷毀變數順序與建立順序相反：先銷毀 sum，再來 b，最後才是 a。

所有變數皆已彈出，最後一個變數 a 也清除完畢。嚴格來說 Main 還有另一個區域變數：Main(string[] args) 的字串陣列，用來接收控制台啟動時傳入的命令列參數。args 陣列的儲存位置分為兩塊，這部分和後續介紹的堆積有關，本示範暫不討論。

各位讀者記住一個重點：函式執行時變數由上至下推入堆疊，順序為 a → b → 進入 Add → x → y；Add 結束 x、y 彈出，接著推入 sum；Main 結束後 sum、b、a 依反向順序彈出銷毀。

堆積（Heap）

堆積是一塊大型記憶體區域，用來配置記憶體區塊存放物件資料；和堆疊不同，堆積內的物件可任意順序新增、刪除。

程式無法手動刪除堆積內的物件，由 CLR（通用語言執行平台）的垃圾回收器 GC自動清理無任何參考、無法存取的孤立物件；省去其他語言手動釋放記憶體容易出錯的步驟。

堆積可以想像成一張大書桌，能隨意擺放各式物品；前面介紹的堆疊則像投幣筒，僅能單端進出資料。

堆積如同寬廣的書桌，擺放物品不受位置限制。開發者不用手動刪除堆積物件，交由 GC（垃圾回收器）管理；一旦物件沒有任何程式參考，GC 會不定時自動銷毀釋放記憶體。這大幅減輕開發者負擔，也避免忘記釋放資源造成記憶體滿載、程式崩潰的問題。像 C++ 這類語言，所有堆積記憶體都要開發者手動釋放。

GC 回收流程

程式在堆積建立三個物件，並持有有效參考
程式不再使用其中一個物件，該物件失去所有參考
GC 偵測到無參考的孤立物件，釋放其佔用記憶體
回收完成，釋放的記憶體可重新配置給新物件使用

堆積記憶體特色

記憶體空間不連續，配置速度比堆疊慢
生命週期不受方法範圍限制，統一由 GC 管理
存放內容：參考型別實體（類別、陣列、委派等），堆疊只存放物件的記憶體位址

透過以下範例更直觀說明：前面提到基礎型別區域變數存在堆疊，而開發者自訂型別大多存放於堆積。請看範例程式：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        int a = 10;
        int b = 20;
        Student tom = new Student("Tom", 12);
        Student lucy = new Student("Lucy", 12);
    }

}

class Student
{
    //成員變數
    private string name;

    private int age;

    //建構函式，後續章節會詳細解說
    public Student(string name, int age)
    {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    //成員方法
    public void DisplayInfo()
    {
        Console.WriteLine($"Name: {name}, Age: {age}");
    }
}   
Code language: JavaScript (javascript)