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棧區內存申請與釋放

毫無疑問，從堆棧中分配內存更快，因為從堆棧中分配內存只是堆棧指針的移動。這意味著什么？什么是“堆棧指針移動”？以x86平臺為例，棧上的內存分配是如何實現的？很簡單，只有一行指令：

sub?$0x40,%rsp

這行代碼被稱為“堆棧指針移動”，其本質就是這張圖：

這很簡單。寄存器esp存放當前棧頂地址。由于堆棧的增長方向是從高地址到低地址，所以當增加堆棧時，需要將堆棧指針向下移動，這就是sub指令的作用。該指令將堆棧指針向下移動 64 個字節（0x40），因此可以說在堆棧上分配了 64 個字節。

可以看到，在棧上分配內存其實非常非常簡單，簡單到只是一條機器指令。

棧區的內存釋放也很簡單，只需要一條機器指令：

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棧幀的棧頂，然后彈出ebp，使ebp指向棧底前一個堆棧幀的：

你看，執行leave指令后，ebp和esp都指向了上一個棧幀，相當于彈出棧幀。這樣，棧1占用的內存就無效了，沒有任何用處。顯然這就是我們經常提到的內存回收，所以一條簡單的leave指令就可以回收棧區的內存。

關于棧、棧幀和棧區，更詳細的解釋可以參考我寫的這篇文章。

接下來我們看堆區的內存申請和釋放。

堆區內存申請與釋放

與在堆棧區域分配內存相反的是堆內存分配。在堆區分配內存有多復雜？太復雜了，我用了兩篇文章來講解“堆內存分配”的實現原理？ 》。

在堆區域申請和釋放內存是一個相對復雜的過程，因為堆本身需要程序員（內存分配器實現者）來管理，而堆棧則由編譯器維護。堆區的維護也涉及到內存。分配和釋放，但是這里的內存分配和釋放顯然不會像棧區那么簡單。一句話leave是什么意思？怎么讀leave是什么意思？怎么讀，這里就是內存的按需分配和釋放。本質是堆區中每塊分配的內存的生命周期都是No，這是由程序員決定的。我傾向于將動態內存分配和釋放視為去停車場尋找停車位。

這顯然會使問題變得復雜。我們必須仔細維護哪些內存已分配，哪些是空閑的，如何找到空閑內存，如何回收程序員不需要的內存塊，同時不能造成嚴重后果。在棧區分配和釋放內存時無需擔心內存碎片問題。同時，當堆區內存空間不足時貝語網校，需要對堆區進行擴展等，這些使得在堆區申請內存比在棧區分配內存更加復雜。還有很多，具體可以參考我寫的這兩篇文章“””。

說了這么多，在堆上申請內存比在棧上申請內存慢多少呢？

接下來，我們來寫一些代碼來實驗一下。

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)<}

這段代碼很簡單，這里有兩個函數：

然后我們在測試函數中分別調用這兩個函數，每個函數被調用一億次，并記錄其運行時間。得到的測試結果為：

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

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

值得注意的是，編譯程序時并沒有開啟編譯優化。開啟編譯優化后的時間消耗如下：

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？顯然從常識來看，在棧上分配速度更快。問題是什么？

現在我們開啟了編譯優化，優化后的代碼運行速度是不是更快了呢？我們看一下編譯優化后生成的指令：

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函數中的代碼實際上什么也沒做。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空函數，而上面的機器指令實際上對應了一個空函數。

小風哥在這里反復添加代碼，沒有騙過編譯器。我試圖增加分配變量a的復雜性，但編譯器仍然巧妙地生成了一個空函數。反正我沒嘗試過。可以看出，現代編譯器足夠智能，生成的機器指令非常高效。關于如何編寫更好的基準測試，以便我們可以看到打開編譯優化時這兩種內存分配方法的比較。任何對此有任何疑問的人都歡迎。請各位有經驗或者有編譯優化經驗的同學留言。

最后我們看一下這兩種內存分配方式的定位。

棧內存和堆內存的區別

首先，我們必須認識到堆棧是先進后出的結構。堆棧區域會隨著函數調用級別的增加而增加，并隨著函數調用的完成而減少。因此，棧不需要任何“管理”；同時，由于棧的性質，棧上申請的內存的生命周期與函數是綁定的。當函數調用完成后，其所占用的棧幀內存將失效，并且棧的大小是有限的。你不能在堆棧上申請太多的內存，就像這段C代碼：

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

這段代碼運行后會核心出來。原因是堆棧區域的大小非常有限。在堆棧上分配大塊數據會使堆棧爆裂。這就是所謂的堆棧溢出：

前額。 。 。抱歉，圖片放錯地方了，應該是這個Stack Overflow：

抱歉，我又搞錯了，不過你明白的。

堆不同。堆上分配的內存的生命周期由程序員控制。程序員決定何時申請內存、何時釋放內存。因此，必須對堆進行管理。堆區域非常廣闊。區，當堆區不足時，會請求操作系統擴展堆區以獲得更多的地址空間。

當然，雖然堆區給了程序員更大的靈活性，但是程序員需要保證內存在不使用的時候被釋放，否則就會出現內存泄漏。在棧上申請內存就不存在這個問題。

總結

棧區是自動管理的，堆區是手動管理的。顯然，在堆棧區域上分配內存比在堆區域上分配內存要快。當棧區申請的內存使用場景有限時，程序員在申請內存時就得更加小心。大多數都是依賴堆區，但是如果棧區申請的內存滿足要求的話，我個人更傾向于使用棧區內存。

希望這篇文章能夠幫助大家了解堆區和棧區。