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栈区内存申请与释放

毫无疑问，从堆栈中分配内存更快，因为从堆栈中分配内存只是堆栈指针的移动。这意味着什么？什么是“堆栈指针移动”？以x86平台为例，栈上的内存分配是如何实现的？很简单，只有一行指令：

sub?$0x40,%rsp

这行代码被称为“堆栈指针移动”，其本质就是这张图：

这很简单。寄存器esp存放当前栈顶地址。由于堆栈的增长方向是从高地址到低地址，所以当增加堆栈时，需要将堆栈指针向下移动，这就是sub指令的作用。该指令将堆栈指针向下移动 64 个字节（0x40），因此可以说在堆栈上分配了 64 个字节。

可以看到，在栈上分配内存其实非常非常简单，简单到只是一条机器指令。

栈区的内存释放也很简单，只需要一条机器指令：

leave

leave指令的作用是将栈基地址赋给esp，使栈指针指向上一个栈帧的栈顶，然后弹出ebp，使ebp指向栈底前一个堆栈帧的：

你看，执行leave指令后，ebp和esp都指向了上一个栈帧，相当于弹出栈帧。这样，栈1占用的内存就无效了，没有任何用处。显然这就是我们经常提到的内存回收，所以一条简单的leave指令就可以回收栈区的内存。

关于栈、栈帧和栈区，更详细的解释可以参考我写的这篇文章。

接下来我们看堆区的内存申请和释放。

堆区内存申请与释放

与在堆栈区域分配内存相反的是堆内存分配。在堆区分配内存有多复杂？太复杂了，我用了两篇文章来讲解“堆内存分配”的实现原理？ 》。

在堆区域申请和释放内存是一个相对复杂的过程，因为堆本身需要程序员（内存分配器实现者）来管理，而堆栈则由编译器维护。堆区的维护也涉及到内存。分配和释放，但是这里的内存分配和释放显然不会像栈区那么简单。一句话leave是什么意思？怎么读leave是什么意思？怎么读，这里就是内存的按需分配和释放。本质是堆区中每块分配的内存的生命周期都是No，这是由程序员决定的。我倾向于将动态内存分配和释放视为去停车场寻找停车位。

这显然会使问题变得复杂。我们必须仔细维护哪些内存已分配，哪些是空闲的，如何找到空闲内存，如何回收程序员不需要的内存块，同时不能造成严重后果。在栈区分配和释放内存时无需担心内存碎片问题。同时，当堆区内存空间不足时贝语网校，需要对堆区进行扩展等，这些使得在堆区申请内存比在栈区分配内存更加复杂。还有很多，具体可以参考我写的这两篇文章“””。

说了这么多，在堆上申请内存比在栈上申请内存慢多少呢？

接下来，我们来写一些代码来实验一下。

显示代码

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)<}

这段代码很简单，这里有两个函数：

然后我们在测试函数中分别调用这两个函数，每个函数被调用一亿次，并记录其运行时间。得到的测试结果为：

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

可以看到，在栈上总共花费的时间只有0.2s左右，而在堆上分配的时间却是20s，相差一百倍。

值得注意的是，编译程序时并没有开启编译优化。开启编译优化后的时间消耗如下：

test?on?stack?0.033521
test?on?heap?0.039294

可以看到它们几乎是一样的，但是这是为什么呢？显然从常识来看，在栈上分配速度更快。问题是什么？

现在我们开启了编译优化，优化后的代码运行速度是不是更快了呢？我们看一下编译优化后生成的指令：

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，编译器太聪明了。很明显注意到这两个函数中的代码实际上什么也没做。尽管我们专门将变量a的值赋值为10，但后来我们根本没有使用变量a。 ，所以编译器为我们生成了一个空函数，而上面的机器指令实际上对应了一个空函数。

小风哥在这里反复添加代码，没有骗过编译器。我试图增加分配变量a的复杂性，但编译器仍然巧妙地生成了一个空函数。反正我没尝试过。可以看出，现代编译器足够智能，生成的机器指令非常高效。关于如何编写更好的基准测试，以便我们可以看到打开编译优化时这两种内存分配方法的比较。任何对此有任何疑问的人都欢迎。请各位有经验或者有编译优化经验的同学留言。

最后我们看一下这两种内存分配方式的定位。

栈内存和堆内存的区别

首先，我们必须认识到堆栈是先进后出的结构。堆栈区域会随着函数调用级别的增加而增加，并随着函数调用的完成而减少。因此，栈不需要任何“管理”；同时，由于栈的性质，栈上申请的内存的生命周期与函数是绑定的。当函数调用完成后，其所占用的栈帧内存将失效，并且栈的大小是有限的。你不能在堆栈上申请太多的内存，就像这段C代码：

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

这段代码运行后会核心出来。原因是堆栈区域的大小非常有限。在堆栈上分配大块数据会使堆栈爆裂。这就是所谓的堆栈溢出：

前额。 。 。抱歉，图片放错地方了，应该是这个Stack Overflow：

抱歉，我又搞错了，不过你明白的。

堆不同。堆上分配的内存的生命周期由程序员控制。程序员决定何时申请内存、何时释放内存。因此，必须对堆进行管理。堆区域非常广阔。区，当堆区不足时，会请求操作系统扩展堆区以获得更多的地址空间。

当然，虽然堆区给了程序员更大的灵活性，但是程序员需要保证内存在不使用的时候被释放，否则就会出现内存泄漏。在栈上申请内存就不存在这个问题。

总结

栈区是自动管理的，堆区是手动管理的。显然，在堆栈区域上分配内存比在堆区域上分配内存要快。当栈区申请的内存使用场景有限时，程序员在申请内存时就得更加小心。大多数都是依赖堆区，但是如果栈区申请的内存满足要求的话，我个人更倾向于使用栈区内存。

希望这篇文章能够帮助大家了解堆区和栈区。