Cherno C++ P54 内存：栈与堆

这篇文章我们来谈论一下计算机的内存。在这里，我们着重讨论内存的两个部分：栈与堆。我们需要注意的一点是，这两个概念不是虚拟的，而是在计算机内部真实存在的。它们是我们的CPU当中RAM部分物理上存在的两个区域。我们之所以要重点关注这两个部分，是因为我们在编程的时候，需要把我们的变量储存在这两个区域当中。

首先我们来看一下栈。栈的空间很小，通常只有2M左右，而且这部分是提前定义好了的。堆相对而言，空间更大一些，也是预定义好的，但是堆可以增长。

内存是我们存储数据的地方，而栈与堆给出的内存存储方式则是完全不同的。当然这种区分只是存储方式上的区别，而存储的数据本身是，根本上做的事情是一样的。

比如我们做一个简单的栈分配与堆分配：

int value = 5;        //栈分配
int* hvalue = new int;     //堆分配
*hvalue = 5;

同样的我们也可以做栈/堆分配数组：

int value[5];             //栈分配
int* hvalue = new int[5]; //堆分配

我们可以看到，在堆分配内存的时候，我们需要使用new关键字来进行。

进入到内存中，我们可以看到栈分配和堆分配的不同。首先我们看一下栈分配在内存中是怎样的，我们用如下代码来举例：

int value = 10;             //栈分配
int svalue[5];
svalue[0] = 1;
svalue[1] = 2;
svalue[2] = 3;
svalue[3] = 4;
svalue[4] = 5;

首先我们查找value的位置，如下所示：

然后我们再来查找svalue的位置，其实我们可以从上一张图里面看到，svalue的位置就在value后面不远的地方：

对比一下这两个地址，我们就会发现，它们的距离实际上非常近，这还是因为在debug的模式下，编译器会自动帮我们填充一些safety guard，实际上它们就应该是紧挨着的。我们在栈分配的时候，本质上就是栈顶的指针不停的移动，然后帮我们分配内存，所以栈分配的速度非常快。同样，在栈内存释放的时候，其实也就是指针直接移动回到开头，在CPU当中就是一条指令的事情。

但是如果我们用同样的操作看堆分配的结果，那就是完全不同了，同样的例子：

int* value = new int;             //堆分配
*value = 10;
int* hvalue = new int[5];
hvalue[0] = 1;
hvalue[1] = 2;
hvalue[2] = 3;
hvalue[3] = 4;
hvalue[4] = 5;

然后我们分别查询value和hvalue两个指针指向的位置：

可以明显看到，这两者的位置差的非常远。不论我们使用new还是智能指针，其实都是会使用堆分配，也都会出现这种情况。

new关键字实际上做的事情是调用了malloc函数。在我们程序启动的时候，我们的操作系统会调一部分RAM内存分配过来，当我们使用malloc时，会启动一个叫做free list的东西，来检查内存的空闲状况。这个list会记录目前空闲内存的大小以及该内存起始位置。malloc函数会在其中寻找一块足够大的内存，然后返回指向这块内存的指针，从而实现动态内存分配的效果。

但是malloc是一个非常笨重的函数，因为它需要进行很多记录工作。如果我们要求的内存超出了当前记录的最大内存，那么程序还会向操作系统要求分配更多的内存，而这个过程会更加缓慢。所以堆分配内存有着很高的潜在成本，因为它涉及了一系列的工作。

栈分配是一个CPU指令，而堆分配是一系列工作，这是这两者最大的区别，同时也导致了两者性能上的差别，堆分配的速度会明显更慢。而且堆分配还会产生cache misses，在数量很多（可能以百万计）的时候，也会带来问题。

所以我们在分配内存的时候，应该优先在栈上分配内存，除非我们需要很大一部分内存。这个是非常真实的性能区别，但是访问栈内存和堆内存倒是没有什么明显区别。

以上就是本篇文章的全部内容了，希望大家喜欢！