54 C++的堆与栈内存的比较

堆与栈内存的比较

当我们的程序开始的时候，它被分成了一堆不同的内存区域，除了堆和栈还有很多别的东西，但我们最关心的就是这两个：栈和堆。

1. 什么是栈和堆？

应用程序启动后，操作系统要做的就是将整个程序加载到内存，并分配一大堆物理 RAM（随机存取存储器：Random Access Memory）以便我们的实际应用程序可以运行。栈和堆是 RAM 中实际存在的两个区域：栈stack通常是一个预定义大小的内存区域，通常约为 2 兆字节（2MB）左右；堆heap也是一个预定义了默认值的区域，但是它可以增长，并随着应用程序的进行而改变。重要的是要知道这两个内存区域的实际物理位置都是在 RAM 中，很多人倾向于认为栈存储在 CPU 缓存中或类似的位置，它确实因为我们不停访问而在缓存中活跃，但不是所有的栈内存都会存储在这里，这并不是它的工作方式。只要记住这两个内存区域的实际位置都在我们的内存中，这就是为什么内存中有两个不同区域的原因。

2. 栈和堆的区别

我们的程序中，内存是用来存储运行程序所需的数据的，不管是从局部变量还是从文件中读取的东西。而栈和堆就是我们可以存储数据的地方。它们的工作原理非常不同，但本质上做的事情是一样的：我们可以要求 C++从栈或者堆中给我们一些内存，顺利的话它会给我们一个要求大小的内存块。而不同之处在于，它会如何分配内存。

分别在栈和堆上定义一个int，array，struct：

int value = 5;
int arary[5];
Vector3 vector;

// 我们需要new关键字来在堆上分配

int* hvalue = new int ;
*hvalue = 5;
int* harray = new int[5];
Vector3* hvector = new Vector3(); // 圆括号是可选加不加的
new int[5];

主要的区别就是我们在堆上分配内存需要用new关键字

下面进入内存窗口检查：

struct Vector3
{
    float x, y, z;

    Vector3()
        : x(10), y(11), z(12) {}
};

int main()
{
    int value = 5;  //打个断点
    int array[5];
    Vector3 vector;
    array[0] = 1;
    array[1] = 2;
    array[2] = 3;
    array[3] = 4;
    array[4] = 5;

    int* hvalue = new int ;
    *hvalue = 5;
    int* harray = new int[5];
    Vector3* hvector = new Vector3();
    harray[0] = 1;
    harray[1] = 2;
    harray[2] = 3;
    harray[3] = 4;
    harray[4] = 5;

    LOG(value);
    LOG(*hvalue);
    std::cin.get();
}

2.1 栈分配

内存中查看&value 如图：cccc 在 debug 模式下表示我们还没有初始化这个 value

可以发现在 array 的内存后面，跟着的正是 value 的内存。现在两者之间有一些字节是因为 debug 模式下在变量周围添加了safety guards，以确保我们不会溢出所有变量，在错误的内存中访问它们等问题。

检查&vector：

所以在内存中这些变量的存储位置都很接近，因为实际发生的是：当我们在栈中分配变量时，栈顶部的指针就移动这个变量大小的字节。分配一个 4 个字节的整数，栈顶指针就移动 4 个字节。

内存实际上是像栈一样相互叠加存储的，现在在大多数栈的实现中，栈是倒着来的。这就是为什么你看图中会发现：第一个 int value 存储在更高的内存地址，后续的 array 和 vector 在旁边存储在较低的内存地址，因为它是反向生长的。

栈的做法就是把东西叠在一起，这就是为什么stack allocation（栈分配）非常快，它就像一条 CPU 指令，我们所做的就是移动栈指针，然后返回栈指针的地址。我如果要分配一个整数，我要反向移动栈指针 4 个字节，然后返回那个内存地址，因为这是 4 个字节块的开始。

2.2 堆分配

^77312c

这里可视性较差，因为分配的内存不会紧挨着：

可以发现 hvalue 和 harray 的地址差的很远

在堆中分配new后要调用delete关键字来释放内存，用智能指针的make也一样会帮你调用关键字，所以我们需要手动去释放内存。

delete hvalue;
delete[] harray;
delete hvector;

而栈中分配内存时，一旦这个作用域结束，你在栈中分配的所有内存都会被弹出，内存被释放。这个作用域可以是任何形式，可以函数作用域，比如 main 函数，或者只是个空作用域，甚至可以使 for、while 循环等任何作用域语句：

int main()
{
    {
        int value = 5;
        int array[5];
        array[0] = 1;
        array[1] = 2;
        array[2] = 3;
        array[3] = 4;
        array[4] = 5;
        Vector3 vector;
    }
}

当这个作用域结束时，所有在这个作用域内栈内分配的东西，都会被弹出、被释放、被回收了，因为栈移动到了它原来的位置（我们进入这个作用域之前的位置）。这也是栈和堆之间重要的区别之一，释放内存没有任何开销，因为栈释放内存与分配一样，不需要将栈指针反向移动然后返回栈指针地址，我们只需要弹出栈中的东西，栈指针自然就回到了作用域开始之前。（一条 CPU 的删除指令就可以释放所有东西）

3. new 关键字实际做了什么

具体见39 The NEW Keyword in C++

new关键字实际上调用了一个叫做malloc的函数（memory allocate）的缩写，这样做通常会调用底层操作系统或平台的特定函数，这将在堆上为你分配内存。当你启动应用时，你会被分配到一定数量的物理 RAM，而你的程序会维护一个叫free list（空闲列表）的东西，它的作用是跟踪哪些内存块是空闲的并储存它们的位置。当你使用malloc请求堆内存时，它可以浏览空闲列表，找到一块符合大小要求的内存块，然后返回你一个它的指针，并记录分配的大小和它现在是否被分配的情况（这样你就不能使用这块内存了）。

这里想说的重点是，在堆上分配内存是一大坨事情，而在栈上分配内存就像一条 CPU 指令。这两种主要内存的区别就是分配方式的区别，可以从汇编指令中看到，声明变量时栈分配的指令就一两行，而堆分配就是一大段指令了，之后还要调用delete，这又是大段指令。

所以事实上，如果可能的话你应该尽量在栈上分配内存。在堆上分配的唯一原因是如果你不能在栈上分配，比如你需要让它的声明周期比你在处理的作用域更长，或者你特别需要更多的数据，比如我想加载一个 50MB 的纹理材质，这就不适合在栈上分配，因此你不得不在堆上分配。

性能的不同是因为分配方式，所以理论上如果你在运行你的程序前在堆上预先分配一个内存块，然后从这个预先分配的内存块中进行堆分配，那栈、堆分配就基本一样了，你唯一可能要处理的就是cpu cache miss的问题（缓存不命中），但 miss 的数量可能不够造成麻烦。所以当你调用new时，你需要检查 free list，请求内存再记录所有内容，这就是堆相比于栈慢的地方，而实际的访问（CPU、缓存）通常可以忽略不计