堆和堆栈内存是如何管理、实现和分配的？

Posted 2023-02-21

【中文标题】堆和堆栈内存是如何管理、实现和分配的？

【英文标题】：How is heap and stack memories managed, implemented, allocated?

【发布时间】：2010-11-15 19:34:33

【问题描述】：

在 C/C++ 中，我们可以将变量、函数、成员函数、类的实例存储在堆栈或堆中。

每个是如何实现的？它是如何管理的（高级）？ gcc 是否预先分配一块内存用于堆栈和堆，然后根据请求分配？原始内存是否来自 RAM？

函数可以分配在堆上而不是堆栈上吗？

澄清

我真的在问堆和堆栈内存的实现和管理。 After reading referenced question,我没有找到任何可以解决...感谢链接

【问题讨论】：

欺骗***.com/questions/408670/stack-static-and-heap-in-c 等等

好吧，再想一想，情况就不同了，因为我真的在问堆和堆栈内存的实现和管理。阅读参考问题后，我没有找到任何可以解决的问题...感谢您提供的链接...

@ultraman：如果不同，请重写以强调差异。不要评论你的问题。是你的。重写它以获得你真正想要的信息。

我不太喜欢结束问题，但这对我来说是一样的。改写为足够不同，我可能会收回我的投票。

@S.Lott 我将重写主题，但我已经在问题中问了我想要什么.. 正是:)

【参考方案1】：

现代操作系统不允许您直接访问硬件 RAM，而是将其抽象到所谓的虚拟内存中，并按需映射到 RAM。每个进程通常都有自己的完整地址空间的私有副本。这允许操作系统在运行时在 RAM 中移动进程的内存，甚至将其交换到磁盘。这是透明地发生的，即一个进程不会被通知这样的重定位并且不需要代码来处理这个。 （一些实时应用程序可能会使用技术来防止其内存被换出）。

将目标文件链接到可执行文件或动态库时，链接器会为函数/方法的 cpu 指令和所有全局变量静态分配内存。当操作系统加载可执行文件或动态库时，它将预先分配的内存映射到实际内存中。

在启动时，每个线程都会收到一个称为堆栈的私有内存区域。每次调用函数/方法时，编译器都会插入代码以自动从堆栈分配（通过递增堆栈指针）足够的内存来保存函数/方法使用的所有参数、局部变量和返回值（如果有）。如果编译器确定在处理器寄存器中保留一些变量就足够了，它不会在堆栈上为其分配内存。当函数/方法返回时，它运行编译器生成的代码以释放（通过递减堆栈指针）该内存。请注意，堆栈上任何对象的析构函数将在它们定义的块退出时被调用，这可能需要很长时间才能返回。此外，编译器可以随意重用分配的内存。

当抛出异常时，编译器会插入特殊代码，该代码知道堆栈的布局，并且可以展开它，直到找到合适的异常处理程序。

与此相反，堆上的内存使用new / delete 分配，编译器为此插入代码以使用系统库请求或释放内存。

请注意，这是一个简化的描述，让您了解内存分配的工作原理。

【参考方案2】：

基本上堆不是由编译器实现的，而是由 C 运行时库实现的。显然，此代码非常依赖于平台。在 Unix 或类 Unix 系统上，实现通常基于 sbrk/brk 系统调用，并分配更大的内存以减少系统调用的数量。然后由堆内存管理器管理此内存。如果需要更多内存，则会发出对 sbrk 的新调用。如果您对调试堆管理例程感兴趣，可以使用 sbrk(0) 获得堆的当前结束地址。大多数内存管理器在进程的生命周期内不会将内存返回给操作系统（gnu c 运行时库会在满足某些约束时这样做）。

http://gee.cs.oswego.edu/dl/html/malloc.html 中提供了更详细的说明。

【讨论】：

并非总是如此。在功能足够强大的操作系统上，CRT 不必这样做。与堆栈类似：如果操作系统足够强大，编译器就不必做那么多。操作系统可以处理堆栈但不能处理堆的情况很常见，但并不普遍。

我确信 MSVC 会尽可能将大部分内存返回给操作系统。