堆和栈, 他们是什么?

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堆

• 1. 堆包含一个链表 来维护已用和空闲的内存块. 在堆上新分配内存是从空闲的内存块中找到一些满足要求的合适块. 这个操作会更新堆中的块链表. 这些元信息也存储在堆上, 经常在每个块的头部一个很小区域.
• 2. 堆增加新块, 通常从低地址向高地址扩展. 因此你可以认为堆随着内存分配而不断的增加大小. 如果申请的内存很小的话, 通常从底层操作系统中得到比申请的要多的内存
• 3. 申请和释放许多小的块, 可能会产生如下状态: 在已用块之间存在很多小的空闲块. 进而申请大块内存时失败, 虽然空闲块的总和足够, 但是空闲的小块是零散的, 不能满足申请的大小; 这叫做"堆碎片";
• 4.当旁边有空闲块的已用块被释放时, 新的空闲块可能会与相邻的空闲块合并为一个大的空闲块, 这样可以有效的减少堆碎片的产生.

栈

• 1. 栈经常与 stack pointer寄存器一起工作, 最初 sp 指向栈顶.
• 2. CPU 用 push 指令来将数据压栈[sp值减小,向低地址扩展], 用pop 指令弹栈[sp值增大].
• 3. 当函数被调用时，CPU使用特定的指令把当前的 IP （译者注：“instruction pointer”，是一个寄存器，用来记录 CPU 指令的位置）压栈。即执行代码的地址。CPU 接下来将调用函数地址赋给 IP ，进行调用。当函数返回时，旧的 IP 被弹栈，CPU 继续去函数调用之前的代码。
• 4.当进入函数时，sp 向下扩展，扩展到确保为函数的局部变量留足够大小的空间。如果函数中有一个 32-bit 的局部变量会在栈中留够四字节的空间。当函数返回时，sp 通过返回原来的位置来释放空间。
• 5.如果函数有参数的话，在函数调用之前，会将参数压栈。函数中的代码通过 sp 的当前位置来定位参数并访问它们。
• 6.函数嵌套调用和使用魔法一样，每一次新调用的函数都会分配函数参数，返回值地址、局部变量空间、嵌套调用的活动记录都要被压入栈中。函数返回时，按照正确方式的撤销。
• 7.栈要受到内存块的限制，不断的函数嵌套/为局部变量分配太多的空间，可能会导致栈溢出。当栈中的内存区域都已经被使用完之后继续向下写（低地址），会触发一个 CPU 异常。这个异常接下会通过语言的运行时转成各种类型的栈溢出异常。（译者注：“不同语言的异常提示不同，因此通过语言运行时来转换”我想他表达的是这个含义）

1.在通常情况下由操作系统（OS）和语言的运行时（runtime）控制吗？

• 栈: 栈通常是 后进先出 的方式预留空间. 这么做可以使得跟踪堆栈, 变得简单; 从栈中释放块只不过是指针的偏移而已.
• 堆: 从堆上分配没有固定的模式; 你可以在任何时候分配它和释放它. 这就使得跟踪哪部分堆已经被分配和被释放变的异常复杂;

每一个线程都有一个栈, 但是每个应用程序通常都只有一个堆.

答:

• 1. 当线程创建的时候, 操作系统为每一个系统级的线程分配栈, 通常情况下, 操作系统通过调用语言的运行时去为应用程序分配堆.
• 2. 栈附属于线程, 当线程结束时栈被回收. 堆通常通过运行时在应用程序启动时被分配, 当应用程序(进程)退出时被回收.
• 3. 当线程被创建的时候, 设置栈的大小. 在应用程序启动的时候, 设置堆的大小, 但是可以再需要的时候扩展.
• 4.栈比堆要快; 因为栈存取模式使它可以轻松的分配和重新分配内存(指针只是进行简单的递增或递减运算). 而对在分配和释放的时候有更多的复杂的操作. 另外栈上的每个字节频繁的被复用也就意味着它可能映射到处理器缓存中,使用很快(局部性原理)

2. 哪个更快？

你问题的答案是依赖于实现的，根据不同的编译器和处理器架构而不同。下面简单的解释一下：

1. 栈和堆都是用来从底层操作系统中获取内存的。
2. 在多线程环境下每一个线程都可以有他自己完全的独立的栈，但是他们共享堆。并行存取被堆控制而不是栈。