栈，堆，指针介绍
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前提
阅读本节的前提是对值，数据类型，变量等概念有所掌握，你可以查看值，数据类型介绍，变量，常量介绍，变量与常量的区别两节来了解他们。
请注意，本节讲述的并非数据结构中的栈和堆。
简介
栈（Stack）和堆（Heap）是两种不同的存储空间分配方案，其运行机制在不同的操作系统和语言运行环境中有所不同。
栈
栈（Stack）是一种高效连续的数据存储空间分配方案，数据个体之间紧密相连，当每个数据个体的大小和排列顺序已知时，将可以算出所有个体在栈中的相对地址。在程序的运行过程中，根据栈的实际地址和数据个体的相对地址，访问数据将是简便快捷的。
除了上述特征，栈还遵循后进先出的原则，即最后进栈的数据会最先出栈，这种设计有利于嵌套调用的场景，当一个新的场景开始时，他需要的数据会进栈，当新场景结束时，他需要的数据会出栈，这相当于还原了上一个场景所需的数据，如果上一个场景存在的话。
栈和变量
栈是一个底层概念，与代码中书写的变量没有直接关联，但变量对应的值是应该保存在栈中的，以获得较高的访问速度，要完成这一目标，值或者值的数据类型所占用的存储空间大小应该是已知和确定的，这是非常重要的一点。
占用的存储空间大小不确定
并非所有存储空间大小都是可以确定的，原因可能是以下两种，变量能够接受的值的实际数据类型不确定，比如，某一个变量的类型声明为类Plant，但其被赋予的值却可能是类Tree或类Flower的实例，或者，变量的类型本身占用的空间不确定，比如，变量的类型是长度随时可变的数组。
对于空间大小的不确定性，栈是难于处理的，比如，变量被赋予了比之前占用更多空间的新值，如何拓展空间来存储该新值？无论采取什么方案，有两种结果是极可能出现的，需要移动栈内的部分数据，导致写入变量的效率降低，一个数据的存储空间被分为多块，导致读取变量的效率降低。这些情况并不符合栈的设计初衷，他们应该使用另一套方案，那就是堆。
栈和函数
基于后进先出的特征，函数与栈是契合的，当出现一个新的函数调用时，栈会为该函数分配空间以读写相关数据，这些数据可能是参数的值，局部变量的值，或返回值。当函数结束时，栈会清除之前分配的空间，并还原函数被调用前的状况，以让函数调用方恢复执行。
栈和线程
每一个线程都维护了自己的栈，并且不与其他线程共享，因为你不能接受一个线程正在使用栈中的数据，而另一个线程却要求数据进栈或出栈，当所有线程共享同一个栈时，这会是经常性的问题。
堆
堆（Heap）是一种非连续的数据存储空间分配方案，每个数据个体不必是紧密相连的，他们之间可能存在一些闲置空间。因此，对于分配新的空间，堆的效率不及栈。
堆碎片
当堆中的数据被清除后，其对应的存储空间将处于闲置状态，并可用于新的分配请求，如果其大小小于请求所需的大小，那么这些闲置空间可能会一直处于闲置状态，成为堆中的碎片，无法被利用。
也许你已经想到了，通过简单的合并相邻的闲置空间，堆碎片的问题会得到缓解，但这一般不会涉及移动堆内的数据，因为会付出较大成本并具有一定风险，当数据的位置改变后，你需要保证该数据的使用方依然可以正确访问他，这样的做法虽然在理论上可行，但现实依然要考虑效率和空间之间的平衡。
堆和引用
鉴于堆的空间分配方式，堆中数据的地址是无法被预知的，当某个数据对应的空间被分配后，该空间的地址或访问令牌应该被保留，以便再次访问，这些地址或访问令牌即是对堆数据的引用。
对于变量来说，如果他的值被存放堆中，那么对应的引用应该存放在栈中，他是一个可以想到且合理的位置。读取该变量的过程将是，首先获取其在栈中对应的数据，也就是一个引用，然后使用引用获取堆中的数据，也就是变量希望表示的实际值。
什么是指针？
指针（Pointer）是一种简单但并非唯一的引用实现，也由于他的简单，并没有太多规则来约束其行为，一些错误的使用可能导致程序或系统崩溃，指针访问了不应该访问的数据。这里有两个与指针有关的概念，取值和取地址。取值是指获取指针对应的实际值，取地址是指根据实际值产生一个对应的指针。
什么是值类型和引用类型？
如果某种数据类型的值应该存储在栈中，那么该数据类型为值类型，如果值应该存储在堆中，则该数据类型为引用类型。值类型变量在栈中对应的数据是实际值，引用类型变量在栈中对应的数据是实际值的引用。
什么是值传递和引用传递？
值传递是一种默认行为，他将变量在栈中的数据赋予另一个变量，作为其栈中的数据，无论这些数据是实际值还是引用。需要指出，值传递中的“值”一词不应理解为实际值，虽然他有可能是。
引用传递类似于别名，变量们看上去好像共享了栈中的同一个存储空间，不过，不要认为这样的事情一定是现实，作为别名的变量可能在自己的栈存储空间中存放了一个地址，以指向栈中的另一个存储空间，也许在具体实现上存在不同，但最终效果是读写任意一个变量，其余的变量均会受到影响。
在下面的 C# 代码中，将变量num1以引用传递的方式赋值给变量num2，然后将num2赋值为200，最后的输出结果显示变量num1的值也是200。
int num1 = 100;
// 以引用传递的方式，将 num1 赋值给 num2
ref int num2 = ref num1;
// 对 num2 赋值，等同于对 num1 赋值
num2 = 200;
Console.WriteLine($"num1={num1}");num1=200堆和进程
与栈不同，堆通常在进程中维护，并在所有的线程中共享。
堆垃圾回收
通过维护数据的引用计数，可以知道堆中的某个数据有多少引用，这些引用可能来自同一个或不同的线程。至于引用计数为零的数据，将被垃圾回收机制以某种策略清理，由于垃圾回收可能是不定时的，不再被使用的数据有机会存活更长的时间。
装箱，取消装箱
装箱是指将栈中存储的值，转换为一个等价的存储在堆中的值。取消装箱则是指将堆中存储的值，转换为一个等价的存储在栈中的值。
为何有装箱和取消装箱？
对于将所有数据类型都视为类的语言，如果完全依照类的特点，那么所有的变量都不能是值类型变量，因为在变量声明为某种类型后，其存储的实际值却可能是另外的某种类型，这导致栈无法确定应该为变量分配多大的存储空间。
这本身是一个矛盾的问题，既希望将所有数据类型都视为类，又希望将某些值存放在栈中，要实现这一目标，某些数据类型所需的存储空间必须是确定的，变量在声明为这些数据类型后，其接受的实际值也只能是这些数据类型，比如，.NET 中的System.Int32。
以上的这些情况，导致某些值类型变量和引用类型变量的相互赋值，是被允许且看上去正常的，因为他们派生自同一个类。如果这种赋值真的发生，那么必然需要栈与堆中的值的等价转换操作。
当然，我们不能将装箱和取消装箱的原因都归于类，因为每种语言都可以有自己的规则。
在下面的 C# 代码中，num是值类型变量，将其赋值给引用类型变量something需要装箱，将something赋值给值类型变量age需要取消装箱。
// num 是值类型变量
int num = 123;
// something 是引用类型变量，因此需要装箱
object something = num;
// age 是值类型变量，因此需要取消装箱
int age = (int)something;