为啥我们使用堆来存储内存？

Posted 2023-02-22

【中文标题】为啥我们使用堆来存储内存？

【英文标题】：Why do we use heap to store memory?为什么我们使用堆来存储内存？

【发布时间】：2016-11-20 06:10:57

【问题描述】：

如果这听起来像是一个幼儿园问题，那么请原谅我；）但是，在 C++ 中，一个堆用于内存分配，因为......曾经（至少是 80 年代）。它是这项工作的最佳算法，还是我们只是被它困住了（就像 javascript 一样......）？是否所有（非嵌入式）操作系统都使用堆来存储内存？

编辑： 那么，ARE 使用了哪些结构/算法。以及它与堆算法有什么关系？

无需与“堆栈”分配进行比较（网络上到处都是），或讨论 C++ 语义 - 今天的内存堆是什么？

【问题讨论】：

如今，内存分配“堆”几乎从未被构造为任何类型的最大堆或最小堆。我认为真正早期的实现之一使用了堆数据结构，而这个术语只是卡住了。

堆，与内存分配有关，不是算法，也不是数据结构。它只是“动态存储”的别称。

【参考方案1】：

听起来您将heap 与"heap" 混淆了。堆数据结构很少（如果有的话）用于动态内存分配。

现在，回复：为什么要动态内存分配？有时您不知道需要多少内存，也不想分配大量缓冲区以防万一。在堆上分配允许您在运行时更改的存储空间量。

【参考方案2】：

在内存分配的上下文中，堆不是数据结构或算法。它更符合英语定义，英语定义本质上是某个地方的非结构化事物组。

从历史上看，早期的计算机系统的内存量非常少，而早期的操作系统只管理少量内存。在早期，像 64K（即千字节，而不是兆字节或千兆字节）这样的数量实际上是相当大的内存量，早期的操作系统被设计为能够支持不超过 640K 来运行程序。这是总内存。

当某些计算机具有两个或更多独立的物理内存芯片组时，这实际上是一种创新。其中一个用于在内存中运行程序，其他用于存储程序所需的数据，其访问速度比从磁盘读取数据的速度更快。这两个内存区域分别被称为堆栈和堆。需要在特殊设备驱动程序的帮助下访问堆。这种可用的堆内存量通常（并不总是）比堆栈内存大得多。

实际上，在 C 和 C++ 的早期实现中，静态和自动变量通常使用堆栈内存，而动态分配的内存（malloc() 等）使用堆。尽管现在主要是学术上的区别（例如，堆和堆栈限制被设置为逻辑配额，而不是反映物理上可用的内存库），但名称仍然存在。

因此，在现代 C 和 C++ 中，“堆”的正确术语是“动态分配的内存”。动态内存分配（例如 malloc() 之类的函数）不一定使用任何称为“堆”的内存区域（尽管很明显，主机系统必须使用某种数据结构来跟踪内存分配和释放）。

【讨论】：

我认为您的答案错过了堆使用的结构。历史和堆栈比较是众所周知的......

这不仅没有抓住重点，而且它所说的相当多的内容都是完全错误的。

【参考方案3】：

在这种情况下，所讨论的“堆”与称为堆的数据结构不同。

通常“堆”是指由malloc/realloc/free 管理的内存。这些通常在合理编写的 C++ 中很少使用（如果有的话）。

对于 C++ 中的动态分配，您更经常使用new 和delete（至少是间接的，例如通过容器使用std::allocator<T>）。有些人有时也将其称为“堆”，但试图更恰当的人更经常将其称为“免费存储”（这是标准中使用的措辞）。

然而，无论如何，很少（如果有的话）涉及实际的堆。两者均未指定（或旨在引用）用于管理内存的数据结构。

对于它的价值，我见过的用于管理内存的最接近实际堆的东西是使用“伙伴系统”分配器（但我在实际使用中看到的这些分配器相对较少，即使 Knuth 进入关于它们的相当多的细节。

至于使用什么结构，一种极为常见的结构就是块的链表。每个块至少会记录自己的大小。

常见的基本算法有最佳拟合、最差拟合和首次拟合。

最佳匹配意味着找到足够大以满足请求的最小空闲块。为此，您通常会将空闲块列表按大小升序排列，因此第一个足够大的块也是最合适的。 最差拟合意味着总是从最大的块开始。为此，您通常会保留按大小降序排列的空闲块列表。这样，要么列表中的第一个块是最大的，所以你要么总是使用它，要么分配失败（或者你需要从操作系统做更多的分配）。在大多数情况下，您仍然需要进行一些列表遍历，因为您将最大的块分成两部分：一个分配给用户，另一个是剩余的，然后您按顺序将其重新插入到列表中新尺寸。 第一个拳头意味着您遍历列表并使用第一个可以满足分配的块。

在所有情况下，您通常都有块拆分策略。也就是说，如果分配要求的大小小于您选择的块，您可以选择保留该块原样，只给用户一点额外的内存，或者将该块分成两部分：一个已使用满足分配，另一个回到空闲列表。在大多数情况下，您会尽量避免创建微小的块，因此除非“剩余”部分大于某个特定大小，否则您只需保持原始块不变。

如果他们对事情想得不多，大多数人的第一直觉是使用最佳匹配。最佳拟合的问题在于，当您拆分一个块时，它会产生最小的剩余部分，因此您倾向于最终得到许多无法满足任何分配的小块。如果您确实使用它，您通常希望设置一个相当高的阈值，在该阈值中您将保持块完整而不是拆分它。

最差拟合试图抵消这一点。虽然它可能会拆分最大的块，但它往往会留下最大的剩余块，因此它最有可能可用。

还有混合，例如精确拟合、最差拟合。也就是说，不是总是使用最大的块，而是首先寻找一个完全适合（或足够接近以至于不会拆分该块）的块，并且只有在失败时才拆分最大的块。

如果您以某种顺序保留空闲块，还有使用某种树来存储块的明显修改，因此您可以在大致对数时间而不是线性时间中找到一个块。

【讨论】：

这确实令人困惑......我在生活中写了一些 std:allocators，所以是的，我知道它的全部内容......