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棧區(qū)內(nèi)存申請(qǐng)與釋放

毫無疑問，從堆棧中分配內(nèi)存更快，因?yàn)閺亩褩Ｖ蟹峙鋬?nèi)存只是堆棧指針的移動(dòng)。這意味著什么？什么是“堆棧指針移動(dòng)”？以x86平臺(tái)為例，棧上的內(nèi)存分配是如何實(shí)現(xiàn)的？很簡(jiǎn)單，只有一行指令：

sub?$0x40,%rsp

這行代碼被稱為“堆棧指針移動(dòng)”，其本質(zhì)就是這張圖：

這很簡(jiǎn)單。寄存器esp存放當(dāng)前棧頂?shù)刂贰Ｓ捎诙褩５脑鲩L(zhǎng)方向是從高地址到低地址，所以當(dāng)增加堆棧時(shí)，需要將堆棧指針向下移動(dòng)，這就是sub指令的作用。該指令將堆棧指針向下移動(dòng) 64 個(gè)字節(jié)（0x40），因此可以說在堆棧上分配了 64 個(gè)字節(jié)。

可以看到，在棧上分配內(nèi)存其實(shí)非常非常簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到只是一條機(jī)器指令。

棧區(qū)的內(nèi)存釋放也很簡(jiǎn)單，只需要一條機(jī)器指令：

leave

leave指令的作用是將棧基地址賦給esp，使棧指針指向上一個(gè)棧幀的棧頂，然后彈出ebp，使ebp指向棧底前一個(gè)堆棧幀的：

你看，執(zhí)行l(wèi)eave指令后，ebp和esp都指向了上一個(gè)棧幀，相當(dāng)于彈出棧幀。這樣，棧1占用的內(nèi)存就無效了，沒有任何用處。顯然這就是我們經(jīng)常提到的內(nèi)存回收，所以一條簡(jiǎn)單的leave指令就可以回收棧區(qū)的內(nèi)存。

關(guān)于棧、棧幀和棧區(qū)，更詳細(xì)的解釋可以參考我寫的這篇文章。

接下來我們看堆區(qū)的內(nèi)存申請(qǐng)和釋放。

堆區(qū)內(nèi)存申請(qǐng)與釋放

與在堆棧區(qū)域分配內(nèi)存相反的是堆內(nèi)存分配。在堆區(qū)分配內(nèi)存有多復(fù)雜？太復(fù)雜了，我用了兩篇文章來講解“堆內(nèi)存分配”的實(shí)現(xiàn)原理？ 》。

在堆區(qū)域申請(qǐng)和釋放內(nèi)存是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，因?yàn)槎驯旧硇枰绦騿T（內(nèi)存分配器實(shí)現(xiàn)者）來管理，而堆棧則由編譯器維護(hù)。堆區(qū)的維護(hù)也涉及到內(nèi)存。分配和釋放，但是這里的內(nèi)存分配和釋放顯然不會(huì)像棧區(qū)那么簡(jiǎn)單。一句話leave是什么意思？怎么讀leave是什么意思？怎么讀，這里就是內(nèi)存的按需分配和釋放。本質(zhì)是堆區(qū)中每塊分配的內(nèi)存的生命周期都是No，這是由程序員決定的。我傾向于將動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和釋放視為去停車場(chǎng)尋找停車位。

這顯然會(huì)使問題變得復(fù)雜。我們必須仔細(xì)維護(hù)哪些內(nèi)存已分配，哪些是空閑的，如何找到空閑內(nèi)存，如何回收程序員不需要的內(nèi)存塊，同時(shí)不能造成嚴(yán)重后果。在棧區(qū)分配和釋放內(nèi)存時(shí)無需擔(dān)心內(nèi)存碎片問題。同時(shí)，當(dāng)堆區(qū)內(nèi)存空間不足時(shí)貝語(yǔ)網(wǎng)校，需要對(duì)堆區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展等，這些使得在堆區(qū)申請(qǐng)內(nèi)存比在棧區(qū)分配內(nèi)存更加復(fù)雜。還有很多，具體可以參考我寫的這兩篇文章“””。

說了這么多，在堆上申請(qǐng)內(nèi)存比在棧上申請(qǐng)內(nèi)存慢多少呢？

接下來，我們來寫一些代碼來實(shí)驗(yàn)一下。

顯示代碼

void?test_on_stack()?{
??int?a?=?10;
}

void?test_on_heap()?{
??int*?a?=?(int*)malloc(sizeof(int));
??*a?=?10;
??free(a);
}

void?test()?{
??auto?begin?=?GetTimeStampInUs();
??for?(int?i?=?0;?i?????test_on_stack();
??}
??cout<<"test?on?stack?"<<((GetTimeStampInUs()?-?begin)?/?1000000.0)<
??begin?=?GetTimeStampInUs();
??for?(int?i?=?0;?i?????test_on_heap();
??}
??cout<<"test?on?heap?"<<((GetTimeStampInUs()?-?begin)?/?1000000.0)<}

這段代碼很簡(jiǎn)單，這里有兩個(gè)函數(shù)：

然后我們?cè)跍y(cè)試函數(shù)中分別調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)，每個(gè)函數(shù)被調(diào)用一億次，并記錄其運(yùn)行時(shí)間。得到的測(cè)試結(jié)果為：

test?on?stack?0.191008
test?on?heap?20.0215

可以看到，在棧上總共花費(fèi)的時(shí)間只有0.2s左右，而在堆上分配的時(shí)間卻是20s，相差一百倍。

值得注意的是，編譯程序時(shí)并沒有開啟編譯優(yōu)化。開啟編譯優(yōu)化后的時(shí)間消耗如下：

test?on?stack?0.033521
test?on?heap?0.039294

可以看到它們幾乎是一樣的，但是這是為什么呢？顯然從常識(shí)來看，在棧上分配速度更快。問題是什么？

現(xiàn)在我們開啟了編譯優(yōu)化，優(yōu)化后的代碼運(yùn)行速度是不是更快了呢？我們看一下編譯優(yōu)化后生成的指令：

test_on_stackv:
??400f85:???????55??????????????????????push???%rbp
??400f86:???????48?89?e5????????????????mov????%rsp,%rbp
??400f89:???????5d??????????????????????pop????%rbp
??400f8a:???????c3??????????????????????retq

test_on_heapv:
??400f8b:???????55??????????????????????push???%rbp
??400f8c:???????48?89?e5????????????????mov????%rsp,%rbp
??400f8f:???????5d??????????????????????pop????%rbp
??400f90:???????c3??????????????????????retq

啊哈，編譯器太聰明了。很明顯注意到這兩個(gè)函數(shù)中的代碼實(shí)際上什么也沒做。盡管我們專門將變量a的值賦值為10，但后來我們根本沒有使用變量a。 ，所以編譯器為我們生成了一個(gè)空函數(shù)，而上面的機(jī)器指令實(shí)際上對(duì)應(yīng)了一個(gè)空函數(shù)。

小風(fēng)哥在這里反復(fù)添加代碼，沒有騙過編譯器。我試圖增加分配變量a的復(fù)雜性，但編譯器仍然巧妙地生成了一個(gè)空函數(shù)。反正我沒嘗試過。可以看出，現(xiàn)代編譯器足夠智能，生成的機(jī)器指令非常高效。關(guān)于如何編寫更好的基準(zhǔn)測(cè)試，以便我們可以看到打開編譯優(yōu)化時(shí)這兩種內(nèi)存分配方法的比較。任何對(duì)此有任何疑問的人都?xì)g迎。請(qǐng)各位有經(jīng)驗(yàn)或者有編譯優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)留言。

最后我們看一下這兩種內(nèi)存分配方式的定位。

棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的區(qū)別

首先，我們必須認(rèn)識(shí)到堆棧是先進(jìn)后出的結(jié)構(gòu)。堆棧區(qū)域會(huì)隨著函數(shù)調(diào)用級(jí)別的增加而增加，并隨著函數(shù)調(diào)用的完成而減少。因此，棧不需要任何“管理”；同時(shí)，由于棧的性質(zhì)，棧上申請(qǐng)的內(nèi)存的生命周期與函數(shù)是綁定的。當(dāng)函數(shù)調(diào)用完成后，其所占用的棧幀內(nèi)存將失效，并且棧的大小是有限的。你不能在堆棧上申請(qǐng)?zhí)嗟膬?nèi)存，就像這段C代碼：

void?test()?{
??int?b[10000000];
??b[1000000]?=?10;
}

這段代碼運(yùn)行后會(huì)核心出來。原因是堆棧區(qū)域的大小非常有限。在堆棧上分配大塊數(shù)據(jù)會(huì)使堆棧爆裂。這就是所謂的堆棧溢出：

前額。 。 。抱歉，圖片放錯(cuò)地方了，應(yīng)該是這個(gè)Stack Overflow：

抱歉，我又搞錯(cuò)了，不過你明白的。

堆不同。堆上分配的內(nèi)存的生命周期由程序員控制。程序員決定何時(shí)申請(qǐng)內(nèi)存、何時(shí)釋放內(nèi)存。因此，必須對(duì)堆進(jìn)行管理。堆區(qū)域非常廣闊。區(qū)，當(dāng)堆區(qū)不足時(shí)，會(huì)請(qǐng)求操作系統(tǒng)擴(kuò)展堆區(qū)以獲得更多的地址空間。

當(dāng)然，雖然堆區(qū)給了程序員更大的靈活性，但是程序員需要保證內(nèi)存在不使用的時(shí)候被釋放，否則就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。在棧上申請(qǐng)內(nèi)存就不存在這個(gè)問題。

總結(jié)

棧區(qū)是自動(dòng)管理的，堆區(qū)是手動(dòng)管理的。顯然，在堆棧區(qū)域上分配內(nèi)存比在堆區(qū)域上分配內(nèi)存要快。當(dāng)棧區(qū)申請(qǐng)的內(nèi)存使用場(chǎng)景有限時(shí)，程序員在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)就得更加小心。大多數(shù)都是依賴堆區(qū)，但是如果棧區(qū)申請(qǐng)的內(nèi)存滿足要求的話，我個(gè)人更傾向于使用棧區(qū)內(nèi)存。

希望這篇文章能夠幫助大家了解堆區(qū)和棧區(qū)。