内存中堆和栈，到底有什么区别？

什么是内存？

内存是计算机的重要组成部分，是主储存器中的一种，由于计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，内存又被称为主存，其作用是暂存CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。所以它是程序与CPU进行沟通的桥梁

相较于大容量存储(比如硬盘)，内存速度快，但每比特造价成本高，位置一般更靠近CPU，还常被用于硬盘缓存和写入缓冲区，以提高读写性能

尝试用鼠标在绘图工具上，画了一副计算机相关的图

内存分配中的栈和堆

我们都知道计算机中的程序都是与内存打交道的，数据又都是0和1这种2进制形式存放在内存中，为了能够有序地管理与控制数据，现代计算机都是将内存划分为栈区Stack、堆区Heap，二进制代码的存放区，还有静态数据的存放区等

我们来看一下上面这张图，其中：

1. 栈区stack，由操作系统自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等
2. 堆区heap，一大块自由内存区，由程序员手动申请，比如执行malloc函数申请的区域；也要手动释放
3. 读写段，也叫全局区，这里包含BSS段、数据段(data)、代码段(文字段)等。其中BSS存放的是未初始化的全局变量和静态变量，数据段存放的是初始化后的全局变量和静态变量
4. 只读区，也叫程序代码区，存放二进制代码
5. 上面这些区域都是用户空间，内核虚拟内存则属于内核空间，给内核程序使用

如果是编写C、C++、Rust这种系统级编程语言的程序员们，那么会经常和内存中的栈与堆打交道。这里的堆Heap和栈Stack(另外许多中文资料会把它翻译成"堆栈"，其实指栈)，并不是数据结构中的堆和栈，而是内存划分的一种形式；二者原理类似，但应用场景不同，所以不能混淆

栈stack，在数据结构中，它的特点是先进后出LIFO，它只能在栈顶进行操作，比如

1. 压栈Push：将一个元素从栈顶压入栈中
2. 弹栈Pop：弹出栈顶元素并返回

大家可以想象成，栈类似于枪械的弹夹，同样是只能一端操作，先进后出

堆heap, 在数据结构中是一种经过排序的非连续形状树形数据结构，特指"完全二叉树"，存取随意，每个结点都有一个值。常用来实现优先队列，其特点是根结点的值最小(或最大)，且根结点的两个子树也是一个堆

我们编写的程序一般不会直接对内存中的地址，存取数据，因为这样会诱发空间无序导致的浪费，或者可能会使用到其他程序已经占用的内存空间。所以我们编写的程序一般都是通过操作系统OS，来请求内存，而不是直接使用内存

操作系统是一种特殊的软件，是沟通硬件和软件的"桥梁"。它会对内存进行管理。程序向OS申请内存，OS会自动的去寻找可用内存，并给程序使用。所以我们接下来讲解内存中的栈和堆，会结合操作系统的视角来看

栈区

栈区：一块地址连续的空间。容量小但存取数据的效率高，由操作系统自动分配释放 ，一般存放函数的参数值，局部变量的值，和其他函数相关信息等。其操作方式类似于数据结构中的栈

其中：

1. ESP：栈指针寄存器，其内部存放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶(x86体系下)
2. EBP：基址指针寄存器，其内部存放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的底部
3. 栈中的单元，被称为栈帧frame；先进后出

栈的特点：

1. 栈是程序运行前，操作系统就已经分配好的空间，因此运行时分配几乎不需要时间，由操作系统自动的申请和销毁空间(压入和弹出)；
2. 另外栈内存空间的地址是连续的，栈上内存的分配和回收，只需移动栈顶指针就能实现；另外栈上一般存放固定尺寸的值
3. 栈的容量非常有限(比如如今的Linux默认堆栈大小为8MB，当然我们也可以临时修改)，所以栈不适合存放太大的值
4. 栈的生长方向是向低内存方向生长，如果栈没有限制的话，会影响到内存的其他区域，后果非常严重
5. 如果栈的空间不足，还将元素压入栈的话，就会发生栈溢出，即Stack Overflow这个很熟悉吧，全球最大的技术问答网站，我们程序员经常阅读的

堆区

堆区：是内存中一大块自由的空间，存取数据的效率较低，一般由程序员手动申请和释放，和数据结构中的堆heap毫无关系，倒是用类似于"链表"的方式来管理内存

在C语言中，通过调用如malloc等函数来申请内存，当系统收到程序的申请时，会遍历一个记录空闲内存地址的链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。使用完毕后需要调用比如free函数，来显式释放，以避免内存泄漏

不同于栈的空间有限，堆是很大的自由存储区，分配内存很灵活。比如像数组这种，尺寸不固定的或者尺寸较大的数据，一般会放入堆中；但频繁地申请、释放堆内存，会造成内存空间的不连续，也就是内存碎片，使程序效率降低；而栈不存在这种问题，可靠且高效

栈的效率为什么比堆高?

栈的效率为什么比堆高？栈和堆本质上都是内存的一块区域，那为啥都说栈就比堆效率快呢？

1. 栈是程序运行前就已经分配好的空间，所以运行时分配几乎不需要时间(如今栈也可以动态分配，由编译器进行优化)；而堆是程序运行时动态申请的，申请前还得寻找足够大小的空间，这是因为堆内存多次分配释放后会造的内存碎片
2. 栈的物理地址空间是连续的，而堆不是，内存连续会有更大的可能(空间局部性)，被完整地缓存到CPU中的Cache中，尽可能利用CPU缓存Cache，从而提高程序的性能；感兴趣地可以去阅读如何利用缓存，让CPU更有效率地执行代码？

另外我们平时编写程序时，也应该尽可能让我们程序，所需要的数据紧凑，内存对齐，从而充分利用CPU缓存

3. 在CPU中，栈有专门的寄存器，来操作栈，比如x86中的esp、ebp;而堆需要由操作系统去调度;另外很多CPU对压栈和出栈操作有硬件(指令)上的支持，效率很高;如果内存不够，可能还要触发swap让内存和磁盘进行交互等一系列复杂操作
4. CPU访问栈中的数据时，可以通过指针直接访问；而访问堆中的数据，得分2次，第一次得取得指针，第二次才是真正得数据

本文到这里就结束啦，主要是讲解内存中堆、栈的特点和区别，可不能和数据结构中的堆栈混淆。

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