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CPU眼里的：堆和栈( 三 )

堆和栈


再写一个简单的函数heap，我们连续作4次的malloc操作 。每次只申请4字节的内存，并打印对应的内存地址：

CPU眼里的：堆和栈

文章插图
 
如你所见，指针变量p的值，也就是所得内存块的内存地址，在不断升高 。这也验证了那句话：“堆”的生长方向是由低端内存，向高端内存生长的 。
或许你也发现了，虽然每次调用malloc的代码，也是非常规律的，但每次得到的内存地址，也就是指针变量p的值，都是无规律变化的！这也暗示malloc的分配策略是比较复杂的，内存碎片或许正在悄悄产生 。
 
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总结
1. “栈”内存由操作系统分配给每个任务（线程）私用，不可共享 。但由于“栈”往往得不到MMU的特殊保护，所以，这种愿望或许是难以实现的 。
因为只要得到某个栈变量的地址，线程A和线程B就可以相互攻击、黑化对方的“栈” 。而“堆”内存，往往可以被多个任务（线程）共享，所以，保证数据的完整性就显得非常必要 。
2. “栈”内存的空间一般比较小，多用于存放“栈”变量、返回地址等函数的栈帧信息 。但过深的函数调用、或者递归调用，会有“爆栈”（也叫：“堆栈”溢出、stack overflow）的风险 。一般随着函数的逐层调用，函数会自动的申请“栈”内存；随着函数的逐层返回，函数也会自动的回收“栈”内存 。一般情况下，不会产生内存碎片和内存泄露 。
而堆的内存空间相对比较大，可用于存放较大的数据 。堆内存的申请、释放，只能由程序员编写相应的代码，调用特定的函数，手动申请、释放 。但随着程序的复杂，内存碎片、内存泄露会时有发生 。
3. “栈”的访问效率极高，特别是申请、释放内存的操作，都被编译器高度优化 。往往只需要一条CPU指令（push、pop），改变一下CPU寄存器rsp的值，就能完成任务 。而堆的申请、释放函数，就会复杂许多，多次使用后，还会产生内存碎片 。
至于，在没有操作系统的时候，“堆”和“栈”，就需要程序员手动划分内存空间 。相信作过单片机开发的同学，对此一定不陌生 。
 
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热点问题
Q1：malloc跟“堆”（heap）是什么关系？
A1：“堆”（heap）一般是操作系统附送给应用程序的一段内存块，在程序运行的时候，如果需要动态分配一些内存的话，我们往往通过函数malloc从“堆”里面申请内存，当然，使用完毕后我们往往会通过free函数，归还刚才申请的内存，从而保证“堆”这个内存块是充裕的 。当然，如果申请的内存量过大，超过了“堆”内存的默认空间大小时，操作系统往往也提供相应的系统调用，用以扩充“堆”内存的空间 。
 
Q2：使用malloc做动态内存分配，会产生碎片，分配速度也慢，那使用它有什么好处呢？
A2：相对静态内存分配，动态内存分配的内存使用效率比较高 。需要使用内存的时候就申请，使用完了，就释放、归还 。这样，即使一小块内存，也可能同时满足多个线程、任务对内存的需求 。
相反，像全局变量、静态变量，它们所占据的静态内存，从编译的时候就决定了它是永久归属的 。无论当前使用与否，它们都会占据这个内存，直到程序的生命周期结束 。
 
Q3：如果一个函数还没有运行，程序就被用户强制退出，会产生内存泄露吗？
A3：一般情况下，是不会产生内存泄露的 。因为程序运行时，所占用的所有内存资源（包括：“堆”、“栈”、数据段、代码段），操作系统都有相应的记录 。在操作系统得到用户强制退出的命令时，操作系统往往会先释放、回收该程序占据的所有内存、文件等资源 。
 
Q4：“堆排序”，跟这里说的“堆”，是什么关系？
A4：没有任何关系 。“堆排序”是对一种排序算法的形象描述 。我们的这里说的“堆”是指：一般由操作系统提供给程序运行的内存块 。

【CPU眼里的：堆和栈】


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