堆和栈的区别

最新推荐文章于 2025-04-16 09:29:14 发布

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分类专栏：八股文文章标签： c++

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一、堆和栈的区别

（1）管理方式不同。栈由操作系统自动分配释放，无需我们手动控制；堆的申请和释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏；

（2）空间大小不同。每个进程拥有的栈大小要远远小于堆大小。理论上，进程可申请的堆大小为虚拟内存大小，进程栈的大小 64bits 的 Windows 默认 1MB，64bits 的 Linux 默认 10MB；

（3）生长方向不同。堆的生长方向向上，内存地址由低到高；栈的生长方向向下，内存地址由高到低。

（4）分配方式不同。堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有 2 种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是由操作系统完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca()函数分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，它的动态分配是由操作系统进行释放，无需我们手工实现。

（5）分配效率不同。栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然，堆的效率比栈要低得多。

二、何为堆

在程序运行过程中，堆可以提供动态分配的内存，允许程序申请大小未知的内存。堆其实就是程序虚拟地址空间的一块连续的线性区域，它由低地址向高地址方向增长。我们一般称管理堆的那部分程序为堆管理器。

堆管理器

响应用户的申请内存请求，向操作系统申请内存，然后将其返回给用户程序。同时，为了保持内存管理的高效性，内核一般都会预先分配很大的一块连续的内存，然后让堆管理器通过某种算法管理这块内存。只有当出现了堆空间不足的情况，堆管理器才会再次与操作系统进行交互。
管理用户所释放的内存。一般来说，用户释放的内存并不是直接返还给操作系统的，而是由堆管理器进行管理。这些释放的内存可以来响应用户新申请的内存的请求。

当并行处理多个线程时，会共享进程的堆空间。

这时，为了安全，一个线程使用堆时，会进行加锁。当然，加锁势必会影响内存分配和回收效率。

而 ptmalloc 堆分配器使其可以支持多线程。在 glibc-2.3.x. 之后，glibc 中集成了 ptmalloc2。ptmalloc2 主要是通过 malloc/free 函数来分配和释放内存块。

三、堆的基本操作

1. malloc

malloc(size_t n)

malloc 函数返回对应大小字节的内存块的指针。

当 n=0 时，返回当前系统允许的堆的最小内存块。
当 n 为负数时，由于在大多数系统上，size_t 是无符号数（这一点非常重要），所以程序就会申请很大的内存空间，但通常来说都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配。

2. free

free(void* p)

free 函数会释放由 p 所指向的内存块。这个内存块有可能是通过 malloc 函数得到的，也有可能是通过相关的函数 realloc 得到的。

当 p 为空指针时，函数不执行任何操作。
当 p 已经被释放之后，再次释放会出现乱七八糟的效果，这其实就是 double free。
除了被禁用 (mallopt) 的情况下，当释放很大的内存空间时，程序会将这些内存空间还给系统，以便于减小程序所使用的内存空间。

3. 内存分配背后的系统调用

在前面提到的函数中，无论是 malloc 函数还是 free 函数，我们动态申请和释放内存时，都经常会使用，但是它们并不是真正与系统交互的函数。这些函数背后的系统调用主要是 (s)brk 函数以及 mmap, munmap 函数。

3.1 (s)brk

对于堆的操作，操作系统提供了 brk 函数，glibc 库提供了 sbrk 函数，我们可以通过增加 brk 的大小来向操作系统申请内存。

初始时，堆的起始地址 start_brk 以及堆的当前末尾 brk 指向同一地址。根据是否开启 ASLR，两者的具体位置会有所不同

不开启 ASLR 保护时，start_brk 以及 brk 会指向 data/bss 段的结尾。
开启 ASLR 保护时，start_brk 以及 brk 也会指向同一位置，只是这个位置是在 data/bss 段结尾后的随机偏移处。

3.2 mmap

malloc 会使用 mmap 来创建独立的匿名映射段。匿名映射的目的主要是可以申请以 0 填充的内存，并且这块内存仅被调用进程所使用。

3.3 munmap

在原来的 dlmalloc 实现中，当两个线程同时要申请内存时，只有一个线程可以进入临界区申请内存，而另外一个线程则必须等待直到临界区中不再有线程。这是因为所有的线程共享一个堆。在 glibc 的 ptmalloc 实现中，比较好的一点就是支持了多线程的快速访问。在新的实现中，所有的线程共享多个堆。