栈和堆

Posted 2020-09-05 黄朝旺

一、预备知识—程序的内存分配 一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分 1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其 操作方式类似于数据结构中的栈。 2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回 收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，呵呵。 3、全局区（静态区）（static）—，全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的 全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另 一块区域。 - 程序结束后由系统释放。 4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放 5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

二、例子程序   
这是一个前辈写的，非常详细   
//main.cpp   
int a = 0; 全局初始化区   
char *p1; 全局未初始化区   
main()   
{   
int b; 栈   
char s[] = "abc"; 栈   
char *p2; 栈   
char *p3 = "123456"; 123456/0在常量区，p3在栈上。   
static int c =0； 全局（静态）初始化区   
p1 = (char *)malloc(10);   
p2 = (char *)malloc(20);   
分配得来得10和20字节的区域就在堆区。   
strcpy(p1, "123456"); 123456/0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"  
优化成一个地方。   
}   
    
    
二、堆和栈的理论知识   
2.1申请方式   
stack:   
由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空  
间   
heap:   
需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数   
如p1 = (char *)malloc(10);   
在C++中用new运算符   
如p2 = new char[10];   
但是注意p1、p2本身是在栈中的。   
    
    
2.2   
申请后系统的响应   
栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢  
出。   
堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，  
会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表  
中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的  
首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。  
另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部  
分重新放入空闲链表中。   
    
2.3申请大小的限制   
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意  
思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（也有  
的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将  
提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。   
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储  
的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小  
受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。   
    
    
    
2.4申请效率的比较：   
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。   
堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.   
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是  
直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。  
    
    
2.5堆和栈中的存储内容   
栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可  
执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈  
的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。   
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地  
址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。   
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。   
    
2.6存取效率的比较   
    
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";   
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";   
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；   
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；   
但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。   
比如：   
#include   
void main()   
{   
char a = 1;   
char c[] = "1234567890";   
char *p ="1234567890";   
a = c[1];   
a = p[1];   
return;   
}   
对应的汇编代码   
10: a = c[1];   
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]   
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl   
11: a = p[1];   
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]   
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]   
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al   
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到  
edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。   
    
    
2.7小结：   
堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：   
使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就  
走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自  
由度小。   
使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由  
度大。

 

 

线程堆栈：简称栈 Stack
托管堆： 简称堆 Heap

使用.Net框架开发程序的时候，我们无需关心内存分配问题，因为有GC这个大管家给我们料理一切。如果我们写出如下两段代码：
代码段1：

public int AddFive(int pValue)
           {
                int result;
                 result = pValue + 5;
                return result;
           }

代码段2：

public class MyInt
           {         
             public int MyValue;
           }

          public MyInt AddFive(int pValue)
           {
                 MyInt result = new MyInt();
                 result.MyValue = pValue + 5;
                return result;
           }

 

问题1：你知道代码段1在执行的时候，pValue和result在内存中是如何存放，生命周期又如何？代码段2呢？
要想释疑以上问题，我们就应该对.Net下的栈(Stack)和托管堆(Heap)（简称堆）有个清楚认识，本立而道生。如果你想提高程序性能，理解栈和堆，必须的！
本文就从栈和堆，类型变量展开，对我们写的程序进行庖丁解牛。
C#程序在CLR上运行的时候，内存从逻辑上划分两大块：栈，堆。这俩基本元素组成我们C#程序的运行环境。

一，栈 vs 堆：区别？

        栈通常保存着我们代码执行的步骤，如在代码段1中 AddFive()方法，int pValue变量，int result变量等等。而堆上存放的则多是对象，数据等。（译者注:忽略编译器优化）我们可以把栈想象成一个接着一个叠放在一起的盒子。当我们使用的时候，每次从最顶部取走一个盒子。栈也是如此，当一个方法（或类型）被调用完成的时候，就从栈顶取走（called a Frame，译注：调用帧），接着下一个。堆则不然，像是一个仓库，储存着我们使用的各种对象等信息，跟栈不同的是他们被调用完毕不会立即被清理掉。

如图1，栈与堆示意图

(图1)

栈内存无需我们管理，也不受GC管理。当栈顶元素使用完毕，立马释放。而堆则需要GC(Garbage collection:垃圾收集器)清理。

二，什么元素被分配到栈？什么被分配到堆？

当我们程序执行的时候，在栈和堆中分配有四种主要的类型：值类型，引用类型，指针，指令。

值类型：
在C#中，继承自System.ValueType的类型被称为值类型，主要有以下几种（CLR2.0中支持类型有增加）：
    * bool
    * byte
    * char
    * decimal
    * double
    * enum
    * float
    * int
    * long
    * sbyte
    * short
    * struct
    * uint
    * ulong
    * ushort

引用类型：
以下是引用类型，继承自System.Object：
    * class
    * interface
    * delegate
    * object
    * string

指针：
在内存区中，指向一个类型的引用，通常被称为“指针”，它是受CLR( Common Language Runtime:公共语言运行时)管理，我们不能显示使用。需要注意的是，一个类型的引用即指针跟引用类型是两个完全不同的概念。指针在内存中占一块内存区，它本身只代表一个内存地址（或者null），它所指向的另一块内存区才是我们真正的数据或者类型。如图2：

(图2)

指令：
后文对指令再做介绍。

三，如何分配？
我们先看一下两个观点：
观点1，引用类型总是被分配在堆上。（正确？）
观点2，值类型和指针总是分配在被定义的地方，他们不一定被分配到栈上。（这个理解起来有点难度，需要慢慢来）

上文提及的栈(Stack)，在程序运行的时候，每个线程(Thread)都会维护一个自己的专属线程堆栈。
当一个方法被调用的时候，主线程开始在所属程序集的元数据中，查找被调用方法，然后通过JIT即时编译并把结果（一般是本地CPU指令）放在栈顶。CPU通过总线从栈顶取指令，驱动程序以执行下去。

下面我们以实例来详谈。

还是我们开篇所列的代码段1：

  public int AddFive(int pValue)
           {
                int result;
                 result = pValue + 5;
                return result;
           }

       

当AddFive方法开始执行的时候，方法参数（parameters）则在栈上分配。如图3：

(图3)

注意：方法并不在栈中存活，图示仅供参考。
接着，指令指向AddFive方法内部，如果该方法是第一次执行，首先要进行JIT即时编译。如图4：

(图4)

当方法内部开始执行的时候，变量result被分配在栈上，如图5：

(图5)

方法执行完毕，而且方法返回后，如图6所示：

(图6)

在方法执行完毕返回后，栈上的区域被清理。如图7：

(图7)

以上看出，一个值类型变量，一般会分配在栈上。那观点2中所述又做何理解？“值类型和指针总是分配在被定义的地方，他们不一定被分配到栈上”。
原因就是如果一个值类型被声明在一个方法体外并且在一个引用类型中，那它就会在堆上进行分配。
还是代码段2：

public class MyInt
           {         
             public int MyValue;
           }

          public MyInt AddFive(int pValue)
           {
                 MyInt result = new MyInt();
                 result.MyValue = pValue + 5;
                return result;
           }

 

当线程开始执行AddFive方法的时候，参数被分配到栈上，如图8所示：

（图8）
由于MyInt是一个引用类型，所以它被分配到堆上，并且在栈中生成一个指针(result)，如图9：

（图9）
AddFive方法执行完毕时的情况如图10：

(图10)

栈上内存被清理，堆中依然存在，如图11：

 
(图11)

当程序需要更多的堆空间时，GC需要进行垃圾清理工作，暂停所有线程，找出所有不可达到对象，即无被引用的对象，进行清理。并通知栈中的指针重新指向地址排序后的对象。现在我们应该知道，了解栈和堆，对我们开发出高性能程序的重要性。当我们使用引用类型的时候，一般是对指针进行的操作而非引用类型对象本身。但是值类型则操作其本身。
接下来，我们用例子说明这一点。

例1：

public int ReturnValue()
           {
                int x = new int();
                 x = 3;
                int y = new int();
                 y = x;      
                 y = 4;         
                return x;
           }

执行结果为3,稍作修改：

例2：

public class MyInt
           {
                public int MyValue;
           }

          public int ReturnValue2()
           {
                 MyInt x = new MyInt();
                 x.MyValue = 3;
                 MyInt y = new MyInt();
                 y = x;                 
                 y.MyValue = 4;              
                return x.MyValue;
           }

执行结果为4。

我们来分析下原因，其实例1的跟以下代码所起效用一样：

public int ReturnValue()
           {
                int x = 3;
                int y = x;    
                 y = 4;
                return x;
           }

         
如图12所示，在栈上x和y分别占用一块内存区，互不干扰。

（图12）

而例2，与以下代码所起效用一样：

   public int ReturnValue2()
           {
                 MyInt x;
                 x.MyValue = 3;
                 MyInt y;
                 y = x;                
                 y.MyValue = 4;
                return x.MyValue;
           }

 

如图13所示，

 
(图13)
栈上的指针x和y指向堆上同一个区域，修改其一必会改变堆上的数据。